О. А. Голубчиков Органический практикум Санкт-Петербург НИИ химии СПбГУ – 2012 УДК 547 Рецензенты: кафедра органической химии Санкт-Петербургского государственного университета (зав. каф. проф. А. А. Потехин) и кафедра органической химии Российского химико-технологического университета (зав. каф. проф. В. Ф. Травень) Голубчиков О. А. Органический практикум. Учебн. пособие для химических Петербург: изд-во НИИ химии СПбГУ, 2012. - 174 с., 32 илл. вузов. С- Книга представляет собой руководство для выполнения практических работ по органической химии студентами вузов химического профиля. В ней описаны правила техники безопасности в лаборатории органической химии, правила оформления лабораторных работ и ведения лабораторного журнала, химическая посуда и техника выполнения основных операций по синтезу, очистке и определению органических соединений. Кратко изложены теоретические положения основных типов органических реакций: нуклеофильного и электрофильного замещения, окисления и восстановления органических соединений, синтеза и превращений солей диазония, реакций конденсации и основанных на них методов синтеза гетероциклических соединений. Представлены подробные лабораторные прописи синтеза органических соединений, получаемых с помощью реакций указанного типа. Книга предназначена для преподавателей и студентов высших учебных заведений химического профиля. ISBN 5-7997-0001-5 НИИ химии СПбГУ, 2012 г. Голубчиков О. А., 2012 г. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие 6 I. Общие правила и методы работы 8 1.1. Планирование работ и ведение рабочего журнала 8 1.1.1. Форма ведения записей в рабочем журнале 9 1.1.2. Пояснения к составлению таблиц 9 1.1.3. План экспериментальной работы. Отчет о выполнении работы 13 1.2. Правила техники безопасности в лаборатории органического синтеза 15 1.2.1. Общие правила работы 15 1.2.2. Правила обращения с ядовитыми и едкими веществами 16 1.2.3. Правила при работе с огнеопасными веществами 18 1.2.4. Правила при работах, которые могут сопровождаться взрывами или выбросами веществ 20 1.2.5. Правила обращения со стеклом 21 1.3. Основные методы выделения и очистки органических соединений 23 1.3.1. Перекристаллизация 23 Принцип метода 23 Подбор растворителя 24 Практика проведения перекристаллизации 26 Обесцвечивание горячих насыщенных растворов 27 Фильтрование с отсасыванием 28 Общая методика перекристаллизации вещества из легколетучего растворителя 30 Сушка органических веществ 31 Определение температуры плавления вещества 32 Перегонка органических жидкостей 35 Простая перегонка при атмосферном давлении 36 1.3.2. 3 Простая перегонка при пониженном давлении (под вакуумом). 38 Перегонка с водяным паром 40 Фракционная перегонка и перегонка с дефлегматором 43 1.3.3. Хроматография 2. Типы реакций и синтезы на их основе 47 2.1. Нуклеофильное замещение у атома углерода 47 2.1.1. Основные теоретические положения 47 2.1.2. Бромистый изопропил 56 2.1.3. Ацетанилид (метод А) 63 2.1.4. Ацетанилид (метод Б) 65 2.1.5. Ацетилсалициловая кислота (аспирин) 70 2.1.6. н-Бутилацетат 72 2.1.7. -Нафтилацетат 74 2.2. Электрофильное замещение в ароматическом ряду 78 2.2.1. Основные теоретические положения 78 2.2.2. Нитротолуолы (смесь изомеров) 85 2.2.3 -Нитронафталин 91 2.2.4 м-Динитробензол 94 2.2.5. Натриевая соль м-ксилолсульфокислоты 98 2.2.6. Сульфаниловая кислота 104 2.3. Восстановление нитросоединений 109 2.3.1. Основные теоретические положения 109 2.3.2. Анилин 117 2.3.3. Выделение и идентификация аминов 119 2.3.4. м-Нитроанилин 125 2.4. Получение и превращение диазосоединений 128 2.4.1. Основные теоретические положения 128 2.4.2. Иодбензол 140 2.4.3. п-Иоднитробензол 142 4 2.4.4. о-Хлорбензойная кислота 144 2.4.5. Метилоранж 148 2.4.6. Кислотный оранжевый 150 2.4.7. Резорциновый желтый (тропеолин) 151 2.4.8. Стектрофотометрическое определение содержания красителя в растворе 152 2.4.9. Пояснения к синтезам азокрасителей 154 2.5. Окисление 158 2.5.1. Основные теоретические положения 158 2.5.2. Бензойная кислота (из толуола) 162 2.5.3. Бензойная кислота (из бензилового спирта) 163 2.5.4. Масляный альдегид (бутаналь) 166 2.5.5. Бензальдегид 169 Приложения Таблица 1. Плотности и концентрации растворов серной кислоты при 20 С 172 Таблица 2. Плотности и концентрации растворов азотной и соляной кислот при 20 С 172 Таблица 3. Плотности и концентрации водных растворов гидроксидов натрия и калия при 20 С 173 Список рекомендуемой литературы 174 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Основная цель практикума по органической химии – закрепление теоретических положений курса путем практического получения органических соединений и ознакомления с их свойствами. Не менее важная цель состоит в освоении основ химической лабораторной техники и безопасных методов работы с химическими веществами и лабораторным оборудованием. Практикум также подразумевает ознакомление с некоторыми современными физико-химическими методами разделения и анализа органических соединений. В пособии представлено описания синтезов, которые выполняются студентами химико-технологических вузов химических и химико-технологических специальностей, подготовка которых осуществляется в системе бакавлавриата и магистратуры. В книге представлены наиболее важные типы синтезов, используемых в органической химии. Это реакции нуклеофильного замещения у sp3- и sp2-гибридного атома углерода, процессы электрофильного замещения ароматических бензоидных соединений, реакции восстановления ароматических нитросоединений, синтез и последующие превращения диазосоединений, реакции окисления, конденсации, а также методы синтеза и очистки гетероциклических соединений. Каждый из перечисленных разделов начинается с краткого теоретического введения, имеющего целью напомнить основные особенности протекания описанных далее реакций. Затем приводятся конкретные методики синтеза тех или иных соединений, даются пояснения, необходимые для ясного понимания того, как, зачем и почему выполняется та или иная операция при синтезе препаратов и, наконец, даются контрольные вопросы по изучаемой теме. Критериями при подборе задач были следующие положения: 1. Синтез должен быть основан на таких химических превращениях, теоретические представления о которых даются в лекционном курсе по органической химии. 2. Лабораторная работа не должна в общей сложности занимать более 6 часов, причем по прошествии 2 – 3 часов после начала ее можно прервать не менее, чем на неделю. 3. В синтезах используются доступные, малотоксичные и как можно менее огнеопасные реактивы и растворители. 6 4. Синтез проводится с применением простого лабораторного оборудования, однако полный набор задач, который будет выполнен студентом в практикуме, должен охватить основные методы получения, разделения и чистки органических веществ. Каждый синтез снабжен пояснениями, которые помогают студенту проводить его теоретически осознанно. Изучение теоретических основ синтеза и пояснений к нему обязательно должно предшествовать экспериментальному выполнению работы. Сдавая коллоквиум и отчитываясь перед преподавателем о проделанной работе, студент должен уметь ответить на контрольные вопросы, помещенные после пояснений к синтезу. Для ответов на некоторые из них необходимо использование материала лекционного курса, учебников и справочников, список которых приводится в конце пособия. В заключение следует отметить, что данное руководство представляет собой расширенный и переработанный вариант практикума Б. Г. Гнедина, Р. А. Петровой и О. А. Голубчикова «Синтезы органических соединений». 7 1. ОБЩИЕ ПРАВИЛА И МЕТОДЫ РАБОТЫ 1.1. ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТ И ВЕДЕНИЕ РАБОЧЕГО ЖУРНАЛА Практическая работа по выполнению любого синтеза состоит из двух частей: подготовительной, выполняемой студентом заранее, до лабораторных занятий, и экспериментальной, выполняемой в часы лабораторного практикума. Подготовительная часть включает в себя выполнение следующих этапов: 1. Ознакомление с прописью получения заданного вещества. Пропись может быть взята из этого пособия или из какого-либо другого руководства по указанию преподавателя. 2. Детальное изучение по справочнику свойств всех химических реагентов, которые используются в работе, а также свойств целевого продукта. Особое внимание обращают на опасные свойства исходных веществ и продуктов всех реакций. 3. Расчеты фактически применяемых мольных отношений реагентов во всех реакциях, выявление реагентов, взятых в избытке (и соответственно – в недостатке) по сравнению с их стехиометрическими количествами. Перерасчет количеств исходных веществ в том случае, если преподавателем предложено исходить из иных количеств реагентов по сравнению с указанными в руководстве. Расчет теоретического выхода продукта в граммах. 4. Составление плана экспериментальной части работы. Экспериментальная часть планируется, исходя из пяти этапов: 1. Очистка исходных веществ, приготовление растворов требуемых концентраций, катализаторов. 2. Проведение основной реакции синтеза. 3. Выделение неочищенного продукта из реакционной смеси. 4. Очистка полученного вещества и оценка степени его чистоты путем сравнения экспериментально найденных физических констант (Тпл, Ткип, показателя преломления nD20, положений максимумов полос и величин молярных коэффициентов поглощения в электронных спектрах и т. д.) с табличными. 5. Взвешивание продукта. Расчет практически полученного выхода в процентах от теоретического. Результаты подготовительной и экспериментальной частей работы записываются в рабочий журнал по приведенной ниже форме. 8 Без оформления в рабочем журнале подготовительной части работы студент к экспериментальному выполнению синтеза не допускается. 1.1.1. Форма ведения записей в лабораторном журнале Работа № . . . Синтез (указывается заданное вещество) . . . Руководство: (указывается: автор (авторы) книги, ее название, место и год издания, страница). . . Уравнение основной реакции: . . . [Приводятся уравнение химической реакции, в результате которой получается заданное вещество, или уравнения нескольких последовательных реакций, если синтез многостадийный. Механизмы процессов здесь не приводятся.] Побочные реакции: . . . [Реакции, проходящие наряду с основной, в результате которых выход целевого продукта уменьшается, называются побочными. Такими реакциями, например, являются трудно контролируемые процессы окисления, приводящие к образованию высокомолекулярных продуктов окисления (смол). В некоторых случаях побочные реакции хорошо известны. Чтобы правильно их указать, следует изучить теоретические основы и пояснения к синтезу.] В результате подготовительной работы должны быть заполнены таблицы 1, 2 и четыре графы таблицы 3 (1 – 3, 5). Графы 4, 6 и 7 в таблице 3 заполняются после окончания выполнения экспериментальной части работы. Вид таблиц показан на следующей странице. 1.1.2. Пояснения к составлению таблиц Таблица 1, графы 3, 4, 5, 6. Данные о свойствах веществ можно найти в “Справочнике химика”, т. II или в справочнике “Свойства органических соединений” под ред. А. А. Потехина (выходные данные справочников см. в списке литературы на стр. 174.) Таблица 1, графа 6. Данные о плотностях концентрированных растворов кислот (H2SO4, HNO3, HСl), щелочей и других веществ приведены, например, в “Справочнике химика”, т. III, с. 496 – 550. 9 Таблица 1. Свойства исходных веществ № 1 Название Молеку- Тпл, Ткип, Плотность Содержание Растворивещества, лярная C C жидкого основного мость оргаформула масса, M вещества вещества (реанических или расгента) в исвеществ в твора, пользуемом воде и друг/см3 реактиве (масс. гих растводоля, %) рителях 2 3 4 5 6 7 8 Таблица 2. Расчет количеств исходных веществ № Реактив 1 2 Рекомендовано в руководстве (Предложено взять руководителем) Объем жидкого Масса жидкого Масса Количество Избыток вещества или вещества или реагенреагента, реагента, раствора, мл раствора, г та, г моль моль 3 4 5 6 7 Таблица 3. Свойства и расчет выхода продукта № 1 Реактив 2 Свойства продукта (Тпл, ТеоретиТкип, плотность, коэфческий фициент преломления, выход, г растворимость) Данные из Определесправочно в рабоника те 3 4 5 Получено г 6 Выход в % от теоретического 7 Следует иметь в виду, что в качестве реактивов в лаборатории органической химии могут иметься в наличии концентрированные кислоты, плотности растворов которых, а значит и концентрации, отличаются от тех, которые требуются по методике. Поэтому в графах 6 и 7 таблицы 1 следует записывать величину плотностей и концентраций только реально используемых реактивов. Эти величины указаны на склянках с кислотами или на специальной табличке. 10 Таблица 1, графа 7. Содержание основного вещества в органических реактивах условно принимают равным 100 %, если нет другой надписи на этикетке. В действительности содержание основных веществ в реактивах марок “ч” (“чистый”) и “ч. д. а.” (“чистый для анализа”) колеблется в пределах 95 – 98 %. Таблица 2, графы 3, 4, 5. В описаниях синтезов всегда бывают указаны массы (m) необходимых твердых веществ. Их можно сразу занести в графу 5 таблицы 2. В случае использования жидких веществ в методиках бывают указаны либо только их объемы (v), либо только их массы. Для расчета величин, необходимых для заполнения граф 3 и 4, пользуются формулой m = V·d, где d – плотность жидкости, взятая из графы 6 таблицы 1. Таблица 2, графа 6. Количество вещества в молях вычисляют по формуле: Кол. в-ва (моль) = mосн /М, где mосн – масса основного вещества (реагента) в навеске реактива, необходимой для проведения синтеза, M – относительная молекулярная масса реагента. Массу основного вещества в реактиве принимают равной массе самого реактива независимо от того, является этот реактив твердым телом или жидкостью. Однако в случае растворов mосн (в граммах) рассчитывают по формуле: mосн = Р mр-ра /100, где P – массовая доля растворенного вещества в растворе (из графы 7 таблицы 1), выраженная в %, mр-ра – масса раствора в граммах. Пример. По методике требуется взять 10 мл соляной кислоты с плотностью 1,19 г/см3. Какое количество HCl содержится в этом объеме кислоты? По таблице (Справочник химика, т. III, стр. 507) находим, что концентрация соляной кислоты с плотностью 1,19 г/см 3 при 20 C равна 38,3 %. Масса 10 мл концентрированной соляной кислоты равна: 101,19 = 11,9 г. Масса HCl в этом растворе: 11,938,3/100 = 4,56 г (графа 5 таблицы 2). Количество HCl равно: 4,56/36,5 = 0,125 моль (графа 6 таблицы 2). Если в лаборатории используется кислота с плотностью 1,17 г/см3, содержащая при 20 C 34,2 % HСl, то для того чтобы ввести в реакцию необходимое количество HCl (0,125 моль), нужно взять: 4,56100/34,2 = 13,3 г или 13,3/1,17 = 11,4 мл этой кислоты. Таким об11 разом, в графы 3 и 4 таблицы 2 должны быть записаны числа 11,4 и 13,3 соответственно. Преподаватель может задать студенту другие количества исходных реагентов вместо тех, которые приводятся в методике синтеза. Количества, массы и объемы исходных веществ, рассчитанные в соответствии с указанием преподавателя, помещаются в соответствующих графах таблицы 2 в скобках после величин, рассчитанных согласно методике. В таблицы 1 и 2 должны быть внесены все вещества, которые используются в ходе работы (кроме воды). Таблица 3, графы 2 и 3. Заполняются с использованием данных из “Справочника химика”, т. II или “Справочника органических соединений” под ред. А. А. Потехина. Одной из физических констант жидкого вещества является его показатель преломления nD20. Показатели преломления органических соединений можно найти в “Справочнике химика”, т. IV или в справочнике А. А. Потехина. Таблица 3, графа 5. Теоретический выход продукта (ТВ) рассчитывается, исходя из предположения, что исходное вещество, взятое в недостатке по сравнению с количеством, требующимся по уравнению основной реакции, полностью прореагировало с образованием целевого продукта. Таблица 3, графа 7. Практический выход (ПВ) в % от теоретического (ТВ) рассчитывается по формуле: ПВ = mn100/ТВ %, где mn – масса полученного вещества в граммах. 1.1.3. План экспериментальной работы. Отчет о выполнении работы Перед проведением экспериментальной работы необходимо четко представить себе всю последовательность действий в ходе ее выполнения. Для этого составляется план работы. План состоит из четырех пунктов, соответствующих четырем этапам экспериментальной части работы (см. выше). В каждом пункте записываются планируемые операции, вычерчивается схема необходимой установки, указываются используемые вещества, оптимальные условия и время, требующееся для проведения операций, безопасные приемы работы. 12 Методика, переписанная из руководства, не может заменить плана работы. Отчет о выполнении работы Отчетом о выполнении работы являются: а) результаты подготовительной части работы, оформленные в виде таблиц и схем установок; б) результаты экспериментальной части работы в виде данных, характеризующих количество полученного продукта (выход в % от теории, графы 6 и 7) и его чистоту (экспериментально полученные физические константы, спектры, хроматограммы); в) записи наблюдений в ходе эксперимента. В рабочем журнале должны быть зафиксированы: а) результаты всех измерений: массы веществ, объемы жидкостей, температуры в ходе выполнения различных операций, продолжительности операций; б) все действия экспериментатора, которые отличались от запланированных, например - продолжительность перерывов в работе, применение других растворителей и т.п.; в) наблюдения за изменениями, происходящими в ходе реакций (изменение температуры, цвета, выделение газов, выпадение осадка); г) зарисовки схем всех установок, использованных в работе; д) анализ возможных потерь веществ в ходе синтеза. Если при выполнении синтеза была применена точно такая же установка, которая уже была ранее изображена (при составлении плана данной работы или в отчете по одной из предыдущих работ), то ее вновь не перерисовывают, а дают соответствующую ссылку. Записи рекомендуется делать сразу в рабочем журнале без использования черновиков. Надо избегать вредной привычки записывать результаты измерений (например, взвешиваний) на случайных отдельных листках бумаги. 13 1.2. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ В ЛАБОРАТОРИИ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 1.2.1. Общие правила работы Работа студентов в лаборатории разрешается в часы, отведенные по расписанию. Работа в дополнительное время допускается под наблюдением преподавателя или лаборанта по согласованию с преподавателем. Все лица, приступающие к выполнению синтетических работ, проходят инструктаж и сдают зачет по технике безопасности в объеме настоящих правил. Лицо, прошедшее инструктаж, расписывается в специальной тетради, фиксируя тем самым обязательство не нарушать установленных правил по технике безопасности и знание возможных последствий, связанных с их нарушением. Без инструктажа по технике безопасности к выполнению лабораторных работ никто не может быть допущен. Не разрешается входить в лабораторию в верхней одежде, принимать в лаборатории пищу, пить воду, взятую из водопроводного крана. Работа в лаборатории органической химии требует большой внимательности, аккуратности и осмотрительности. Работающий обязан заранее ознакомиться с наиболее характерными свойствами тех веществ, которые он будет использовать в синтезе, обращая особое внимание на вредные и опасные из них. Передвигаться по лаборатории следует неторопливо и осмотрительно, особенно в тех случаях, когда вы переносите сосуды с кислотой, щелочью, бромом и т.п. Работать в лаборатории органической химии необходимо в халате. Работающий обязан соблюдать чистоту, как на своем рабочем месте, так и в местах общего пользования. Все сотрудники кафедры и работающие студенты должны уметь пользоваться защитными средствами, средствами огнетушения и уметь оказывать первую помощь пострадавшим. В лаборатории должна иметься аптечка с необходимым набором медикаментов. Категорически запрещается выносить химические реактивы из лаборатории. 14 1.2.2. Правила обращения с ядовитыми и едкими веществами Необходимо при всех работах соблюдать максимальную осторожность. Несчастные случаи почти всегда происходят в результате неосведомленности, невнимательности или небрежности работающего. Химические опыты выполняются с количествами реактивов, указанными руководителем. Концентрации исходных веществ и условия проведения опыта также согласуются с руководителем. Не ставьте ни одного опыта и не пускайте в дело ни одной установки без предварительной проверки. Всякие изменения в постановке опытов допустимы только после предварительного согласования с преподавателем. Беря вещество для опыта, внимательно читайте этикетку. Необходимо также проверять вещество по качественным признакам (цвет, консистенция, плотность и др.) прежде чем использовать его для реакции. При отмеривании кислот, растворов щелочей и солей из склянок общего пользования пользуйтесь мерными цилиндрами, предназначенными для данного реактива (надпись на склянке и на мерном цилиндре должна быть одна и та же). При использовании цилиндра с другой надписью его следует вымыть водой и высушить перед использованием и после него. Концентрированную серную кислоту, олеум, хлорсульфоновую кислоту, нитрующую смесь наливают только в сухую посуду. При смешивании кислот с водой следует приливать кислоту к воде, а не наоборот. При смешивании разных кислот более плотную всегда приливают к менее плотной. При попадании на кожу концентрированных минеральных или органических кислот их быстро смывают большим количеством холодной воды, а затем раствором соды. При попадании большого количества кислоты на одежду ее следует быстро снять, а затем уже принимать меры по удалению кислоты с кожного покрова. Нельзя брать голыми руками едкие щелочи и щелочные металлы. Следует избегать попадания на кожу органических веществ, так как многие из них могут причинить серьезные ожоги (фенол и его производные) или вызвать раздражение кожного покрова (нитросоединения). 15 При измельчении едких щелочей, натронной извести, сернистого натрия, солей хромовой кислоты и других едких и ядовитых веществ необходимо применять меры для избежания попадания пыли в дыхательные органы (респиратор) и глаза (защитные очки). Едкие вещества в малых количествах следует измельчать в глубокой ступке или завернуть измельчаемые куски в тряпку. При попадании щелочи на кожу ее смывают большим количеством воды и затем нейтрализуют слабым раствором борной или уксусной кислоты. Необходимо помнить, что при попадании на кожу твердой щелочи или ее концентрированного раствора болевые ощущения наступают не сразу, а при разрушении кожного покрова, т.е. когда уже образовалась язва. Если в глаза попала кислота или щелочь, следует промыть их большим количеством воды и немедленно обратиться в травмпункт. Особую осторожность следует проявлять при работе с бромом, который при вдыхании паров вызывает общее отравление и поражает легкие, а при попадание на кожу - долго незаживающие язвы. Бром, попавший на кожу, следует удалить тряпкой или фильтровальной бумагой и обожженное место тщательно промыть раствором восстановителя (бисульфита, сульфита, тиосульфата). Пролитый бром следует не собирать тряпкой, а залить раствором восстановителя и затем убрать. При отравлении парами брома следует нюхать разбавленный раствор аммиака и выйти на свежий воздух. Все процессы, сопровождающиеся выделением вредных газов или паров, следует проводить в вытяжном шкафу. Наблюдение за операциями, в которых возможны выбросы или разбрызгивание веществ, проводятся через предохранительные очки, прозрачный экран или через опущенное стекло в вытяжном шкафу. При проведении таких операций не следует наклоняться над реакционным сосудом, находящимся на столе или в вытяжном шкафу. Чтобы установить запах вещества в реакционном сосуде, надо осторожным движением ладони направить к себе газы или пары, но не вдыхать их полной грудью. Пробирку, в которой нагревается жидкость, следует держать отверстием в сторону, а не к себе или соседу, так как жидкость вследст вие перегревания нередко выбрасывается из пробирки. Во избежание этого пробирку следует греть не только снизу, а подогревать при встряхивании все ее содержимое. 16 При проведении процессов, сопровождающихся выделением большого количества тепла (смешивание концентрированной серной кислоты с водой, азотной кислотой и т.п.), нужно пользоваться тонкостенной химической посудой, так как толстостенные сосуды (склянки, банки и др.) от резкого нагревания растрескиваются. Если в помещении по какой-либо случайности создается высокая концентрация ядовитого газа или пара (например, разбилась большая склянка с бромом, с хлорсульфоновой кислотой и т.п.) дежурный лаборант или преподаватель поступают следующим образом: 1) Приказывают присутствующим, задержав дыхание, немедленно, но спокойно покинуть загазованное помещение. 2) Надевают противогаз и ликвидируют источник поступления ядовитых газов, предварительно открыв окна и устроив сквозняк. Если разбился ртутный термометр и ртуть разлилась по столу или полу, следует обязательно поставить в известность об этом преподавателя или лаборанта. Все рассыпавшиеся капельки ртути тщательно собирают в специально предназначенный для этого сосуд с водой. Для этого применяют амальгамированную медную проволоку или амальгамированную цинковую пластинку. Перед сбором ртути медь обрабатывают концентрированной азотной, а цинк - уксусной кислотой. 1.2.3. Правила при работе с огнеопасными веществами При работе с легко воспламеняющимися веществами всегда нужно помнить об опасности возникновения пожара и принимать предупредительные меры. В лаборатории должны иметься и быть расположены в легко доступных местах противопожарные средства: огнетушители, ящики и железные сосуды с песком, одеяла. Нагревание органической жидкости или раствора в органическом растворителе можно проводить только в колбе с обратным холодильником. Подогрев при этом должен осуществляться с помощью подходящего типа бани: водяной, воздушной, песчаной, масляной или на электроплитке с закрытой спиралью. Категорически запрещается нагревать жидкости в стеклянных сосудах на голом огне. В порядке исключения допускается кипячение трудно воспламеняющихся жидкостей в термостойкой стеклянной посуде на металлических сетках, подогреваемых снизу пламенем горелки (перегонка галогенпроизводных, нитросоединений, и т.п.) 17 Нельзя упаривать растворы веществ в органических растворителях из стаканов, фарфоровых чашек или открытых колб. Растворители из таких растворов можно удалять только путем отгонки с применением холодильников. Отгонку диэтилового эфира, особенно пожароопасного вещества, следует проводить вдали от огня, подставляя под перегонную колбу водяную баню, заранее нагретую на другом столе. На том столе, где идет работа с эфиром, зажигать горелки запрещается. Горючие жидкости нельзя держать вблизи зажженных горелок. Переливание или фильтрование легковоспламеняющихся жидкостей можно проводит только при отсутствии на рабочем месте источников открытого огня. Нельзя выливать в раковины нерастворимые в воде горючие жидкости. Их выливают в специальные бутылки для сбора органических растворителей. Если пролито значительное количество легковоспламеняющейся жидкости, необходимо погасить горелки, собрать жидкость тряпкой в какой-либо сосуд и затем проветрить помещение. В случае воспламенения горючей жидкости во время работы следует: а) погасить горелку (если горелка окружена огнем, выключить газ общим краном лабораторного стола); б) убрать сосуды с огнеопасными веществами; в) очаг огня изолировать от воздуха, плотно закрыв его полотенцем, одеялом или засыпав песком. В более сложных случаях можно воспользоваться огнетушителем, при крайней необходимости вызвать пожарную команду. Если загорится одежда: а) не бежать. б) гасить пламя путем завертывания в одеяло (это должны сделать люди, находящиеся рядом с пострадавшим); в) если рядом нет никого, кто мог бы оказать помощь, нужно упасть на пол и, перекатываясь по нему, сбить пламя с одежды. Нельзя оставлять без присмотра включенные нагревательные приборы (горящие горелки, электроплитки и т. п.) даже на короткое время. Запрещается пользоваться неисправными газовыми горелками (коптящее желтое светящееся пламя, проскок пламени внутрь горелки, воспламенение газа до входа в горелку). 18 Не зажигать спички и не пользоваться электровыключателями, если в помещении чувствуется запах газа. Немедленно поставить об этом в известность лаборанта или преподавателя. 1.2.4. Правила при работах, которые могут сопровождаться взрывами или выбросами веществ При работе с сосудами, в которых создается вакуум (перегонка под вакуумом), следует обязательно надевать предохранительные очки или защищаться экраном из органического стекла. Последняя мера предосторожности должна применяться также при определении температуры плавления вещества, плавящегося выше 180 C в приборе, наполненном концентрированной серной кислотой. Окислители (бертолетову соль, хромовый ангидрид, бихромат, перманганат калия) следует измельчать в чистой сухой посуде. При работе с металлическим натрием: а) брать металл пинцетом, но не руками; б) резать натрий следует на листе фильтровальной бумаги. Неиспользованные кусочки и обрезки натрия нельзя выбрасывать в раковину или в ведра для отходов; их следует сдать лаборанту, который поместит их в специальную банку с керосином. При работе с масляными банями не допускать попадания в них воды. Даже небольшое количество воды при попадании под слой нагретого масла моментально вскипает и происходит энергичное разбрызгивание горячей жидкости. Нельзя нагревать вещества, а также вести химические реакции и перегонку жидкостей в герметически, наглухо, закрытых установках. Проводя экстрагирование, нельзя смешивать горячую реакционную смесь с экстрагирующим растворителем во избежание бурного испарения последнего. Это может сопровождаться взрывом и пожаром. При нагревании с обратным холодильником или при перегонке вещества, затвердевающего в холодильнике, нужно следить за тем, чтобы трубка холодильника не забивалась, ибо это может привести к разрыву сосуда. 1.2.5. Правила обращения со стеклом При разламывании надрезанных стеклянных трубок и палочек, чтобы не порезать руки краями стекла, необходимо растягивать трубку в стороны, стремясь как бы разорвать ее. Концы обрезанных трубок и палочек обязательно оплавляются. 19 Вставляя стеклянную трубку в пробку или надевая на нее резиновый шланг, следует держать трубку надо как можно ближе к вставляемому концу. Трубка может сломаться, и по инерции Вы пораните себе руки. Нельзя упираться колбой в стол, когда вставляете в нее пробку, она может сломаться. Колбу следует держать в руках за горло как можно ближе к отверстию. Жидкости, находящиеся в стеклянной посуде, нельзя нагревать на голом огне, так как стекло не выдерживает резких колебаний температуры. Исключение составляют пробирки из термостойкого стекла, которые допустимо нагревать в пламени газовой горелки. Большие колбы и стаканы с нагретой жидкостью нельзя ставить на металлические или керамические поверхности. Необходимо подкладывать под сосуд ткань или бумагу. Нельзя охлаждать нагретые стеклянные сосуды с концентрированными кислотами (например, приборы для определения температуры плавления) под краном. 20 1.3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1.3.1 Перекристаллизация Принцип метода Твердые органические вещества, выделенные из реакционных смесей, обычно содержат большие или меньшие количества примесей других соединений, т.е. бывают “загрязнены”. Очистка таких веществ обычно осуществляется путем их перекристаллизации из подходящего растворителя или смеси растворителей. Удаление примесей при перекристаллизации основано на том, что разные вещества имеют разную растворимость. При выборе растворителя для перекристаллизации наиболее важным фактором является температурная зависимость растворимости очищаемого соединения. В общем случае с увеличением температуры растворимость может, как расти, так и падать. Однако для типичных органических соединений растворение представляет собой эндотермическую реакцию, и при высокой температуре они растворяются лучше, чем при низкой. При очистке методом перекристаллизации, чем сильнее изменяется растворимость при росте температуры, тем лучше. Кроме того, большое значение имеют различия в растворимостях основного вещества и примесей. В простейшем виде процесс перекристаллизации заключается в последовательном проведении ряда операций. 1. Растворение загрязненного вещества до получения насыщенного раствора при температуре кипения растворителя. 2. Фильтрование горячего насыщенного раствора от нерастворенных частиц и пыли. 3. Охлаждение профильтрованного раствора, в результате чего из него выпадают кристаллы очищенного вещества. 4. Отделение кристаллов от маточного раствора. После высушивания вещество проверяют на чистоту обычно путем определения температуры плавления. В том случае, если продукт недостаточно чист, операции перекристаллизации повторяют до тех пор, пока температура плавления вещества после очередной перекристаллизации не останется неизменной. Причины удаления примесей из загрязненного продукта при его перекристаллизации могут быть поняты из следующего примера. Пусть загрязненный продукт содержит 95 % основного вещества A и 5 % примеси Б. Растворимости этих веществ обозначим соответственно SА и SБ; как правило, эти величины неодинаковы. Для 21 определенного растворителя возможен один из двух вариантов: 1) SБ > SА или 2) SБ < SА. Очевидно, что в первом случае уже после однократной перекристаллизации в твердом виде выделится чистое вещество А, а примесь Б полностью перейдет раствор. Второй случай можно иллюстрировать следующим расчетом. Предположим, что растворимости А и Б при 20 C равны соответственно 10 г и 3 г на 100 мл растворителя. Если 50 г неочищенного продукта растворить при нагревании в 100 мл растворителя, то в растворе будет содержаться 47,5 г А и 2,5 г Б. При охлаждении раствора до 20 C в маточнике останется 10 г А и 2,5 г Б (вся примесь в растворе!) и получится 37,5 г чистых кристаллов А. Подбор растворителя Растворитель, пригодный для перекристаллизации какого-либо вещества, должен отвечать следующим требованиям: а) вещество должно хорошо растворяться в нем при нагревании и сравнительно плохо - при комнатной или более низкой температуре; б) примеси должны растворяться в этом растворителе или очень хорошо, или быть практически нерастворимы; в) очищаемое вещество должно выпадать из растворителя в виде хорошо образованных кристаллов; г) остатки растворителя должны легко удаляться с кристаллов очищаемого вещества, т.е. растворитель должен обладать сравнительно низкой температурой кипения. Растворитель не должен реагировать с очищаемым веществом. Если по перечисленным критериям подходит несколько растворителей, то окончательный выбор зависит от удобства в работе, меньшей огнеопасности и цены. Например, следует по возможности избегать применения в качестве растворителя для перекристаллизации диэтилового эфира из-за его повышенной огнеопасности и способности, интенсивно испаряясь, “выползать” по стенкам сосуда. В результате этого происходит не перекристаллизация из насыщенного раствора, а обыкновенное его высыхание, в результате чего очищаемое вещество не отделяется от примесей. Если нет данных о применимости того или иного растворителя для перекристаллизации полученного вещества, его подбирают опытным путем. Приблизительно 0,1 г вещества помещают в небольшую пробирку и прибавляют к нему испытуемый растворитель капля за каплей (лучше это делать с помощью градуированной пипетки) при энергич22 ном встряхивании содержимого пробирки. После добавления около 1 мл растворителя (20 капель), смесь нагревают до кипения, соблюдая предосторожность при работе с легко воспламеняющейся жидкостью. Если вещество растворилось в 1 мл (или в меньшем объеме) растворителя на холоду или при слабом нагревании, такой растворитель непригоден для перекристаллизации данного соединения. Если в 1 мл растворителя при кипячении вещество полностью не растворилось, добавляют еще 0,5 мл растворителя и снова нагревают до кипения. Так повторяют при необходимости несколько раз. Если вещество не растворяется в 3 мл кипящей жидкости, следует оставить этот растворитель как непригодный и перейти к испытанию другого. После полного растворения вещества горячий раствор в пробирке охлаждают и наблюдают, происходит ли выпадение кристаллов. Иногда кристаллы не выпадают из-за образования пересыщенного раствора. В этом случае раствор размешивают стеклянной палочкой, потирая ее концом стенку пробирки ниже уровня жидкости. В результате на внутренней поверхности пробирки образуются микроскопические царапины, а в раствор попадают мельчайшие осколки стекла; и те, и другие служат отличными центрами кристаллизации. Если вещество не выпадает даже при охлаждении раствора в смеси снега и соли, растворитель не годится для перекристаллизации. Если кристаллизация при охлаждении происходит, то оценивают количество выпавших кристаллов. Таким способом испытывают несколько растворителей, пока не находят лучший из них. В том случае, когда вещество очень хорошо растворимо в одном каком-то растворителе и почти нерастворимо в другом, для проведения перекристаллизации с успехом можно использовать смеси этих растворителей. Разумеется, для этой цели подходят только такие жидкости, которые полностью смешиваются друг с другом. Очищенное вещество растворяют в кипящем “хорошем” растворителе и к кипящему раствору постепенно добавляют горячий “плохой” растворитель до появления слабой мути. Муть тотчас же уничтожают путем добавления небольшого количества первого растворителя и после этого смеси дают охладиться до комнатной температуры. Охлаждение сопровождается выпадением кристаллов. Обычно используют следующие пары: спирт + вода, спирт + бензол, бензол + петро- 23 лейный эфир, ацетон + петролейный эфир, “ледяная” уксусная кислота + вода. При выборе растворителя для перекристаллизации некоторую помощь могут оказать следующие обобщения: 1. Вещество лучше растворимо в таких растворителях, которые близки к нему по химическим и физическим характеристикам (“подобное растворяется в подобном”). 2. По мере увеличения углеводородной цепи в гомологическом ряду какого-либо функционального производного (например, в ряду спиртов) соединения становятся по растворимости более и более подобны углеводородам. 3. Полярные соединения более растворимы в полярных растворителях и менее растворимы в неполярных. Хотя эти правила иногда не соблюдаются, ничего лучшего пока не придумали. Практика проведения перекристаллизации Практически перекристаллизация осуществляется следующим образом. Вещество помещают в сосуд для растворения, в качестве которого обычно используют небольшую круглодонную колбочку. При перекристаллизации из воды растворение можно проводить в обычном химическом стакане. В том случае, когда предполагают применять горячий растворитель, колбу снабжают обратным холодильником. К веществу прибавляют растворитель в количестве несколько меньшем, чем это требуется для его полного растворения при кипении. Кипятят содержимое сосуда, соблюдая правила техники безопасности при работе с легко воспламеняющимися жидкостями, и при этом постепенно добавляют ровно столько растворителя, чтобы все вещество растворилось и образовался насыщенный раствор. В случае применения обратного холодильника растворитель прибавляют через капельную воронку, установленную в форштосе или во втором горле колбы. Нагревать раствор в колбе следует на водяной бане или на плитке с закрытой спиралью. В горячем насыщенном растворе могут содержаться нерастворимые примеси, а также окрашенные вещества. Для удаления последних к раствору обычно прибавляют активированный уголь. В любом случае возникает необходимость фильтрования горячего раствора. Для того чтобы профильтровать горячий насыщенный раствор, воронку с фильтром необходимо все время поддерживать в нагретом состоянии. 24 Существует несколько способов “горячего” фильтрования легколетучих растворителей. Небольшое количество горячего раствора часто с успехом удается быстро профильтровать на предварительно нагретой конической воронке через складчатый фильтр. Простейшим способом фильтрования горячего раствора является также фильтрование его на предварительно нагретой воронке Бюхнера с отсасыванием в сухую нагретую приемную колбу (см. стр. 29). Иногда тонкодисперсные частицы активированного угля всетаки проходят в небольшом количестве через бумажный фильтр. Для предотвращения этого перед фильтрованием в горячий раствор полезно внести небольшое количество измельченной фильтровальной бумаги. Насыщенные водные растворы обычно фильтруют через стеклянные воронки со складчатыми фильтрами. Наружную поверхность воронки при этом обогревают паром, образующимся при кипячении фильтрата. Этот способ подробно описан в работе “Синтез ацетанилида” (стр. 63). Легколетучие растворители таким способом фильтровать нельзя. Обесцвечивание горячих насыщенных растворов Выше упоминалось о необходимости обесцвечивания полученного насыщенного раствора некоторым количеством активированного угля. Обесцвечивание жидкостей, содержащих в качестве примесей окрашенные высокомолекулярные продукты окисления, происходит в результате преимущественной адсорбции этих продуктов на сильно развитой поверхности пор, которые пронизывают частицы активированного угля. Эта поверхность исключительно велика и достигает для хороших сортов угля величины от 400 до 900 м 2 на 1 г материала. Степень адсорбции растворенных веществ связана с их растворимостью: чем меньше растворимость компонента в данном растворителе, тем относительно больше этого компонента адсорбируется на поверхности активированного угля. Из этого следует, что из загрязненных растворов преимущественно адсорбируются смолистые высокомолекулярные вещества, обладающие значительно меньшей растворимостью в воде, чем основной компонент. Количество добавляемого в раствор активированного угля зависит от его качества и степени загрязнения очищаемого продукта. В большинстве случаев достаточно использовать его в количестве 2 - 3 % от веса растворенного вещества. Если однократная обработка рас- 25 твора активированным углем не привела к его полному обесцвечиванию, процедуру повторяют с новой порцией угля. При обработке окрашенных растворов углем кипячение не обязательно: хороший результат дает, например, пропускание раствора через колонку, заполненную активированным углем, однако при обесцвечивании горячих насыщенных растворов этот прием трудно осуществим. Наиболее эффективно активированный уголь адсорбирует окрашенные смолистые примеси из водных растворов, однако эту операцию можно проводить и с растворами в органических жидкостях. Хуже всего активированный уголь обесцвечивает загрязненные растворы веществ в петролейном эфире, бензоле, циклогексане и других углеводородах. Фильтрование с отсасыванием Фильтрование с отсасыванием проводят на воронке Бюхнера. Схема установки (рис. 1) включает в себя саму воронку (1), плотно соединенную с помощью резиновой пробки с толстостенной приемной колбой Бунзена (2). В системе создается пониженное давление с помощью водоструйного насоса (4). Рис. 1. Схема установки для фильтрования с отсасыванием: 1 – воронка Бюхнера, 2 – приемная колба Бунзена, 3 – предохранительная склянка, 4 – водоструйный насос Водоструйный насос обеспечивает разрежение за счет того, что струя воды, выходя с большой скоростью из узкой трубки, засасывает 26 и увлекает за собой пузырьки воздуха. Идеальный водоструйный насос может понизить давление в системе до величины, равной упругости паров воды, которая зависит от температуры. Например, при 10 и 20 С она равна 9,3 и 17,5 мм. рт. ст. соответственно. Однако на практике из-за подсоса воздуха и недостаточного давления воды в водопроводе даже очень хорошие насосы такого разрежения не обеспечивают (остаточное давление в системе обычно на 10 мм выше теоретического). На перфорированное днище воронки Бюхнера свободно кладут бумажный фильтр, который вырезают в виде круга с диаметром, немного меньшим внутреннего размера воронки. Края фильтра ни в коем случае не должны загибаться и “налезать” на внутреннюю боковую стенку воронки. Фильтр смачивают несколькими каплями жидкости, входящей в состав фильтруемой суспензии, и включают водоструйный насос. Фильтр должен плотно прилегать к днищу воронки, закрывая все отверстия, а воздух, проходящий через смоченный фильтр, должен создавать ровный слабый шум. Свистящий звук означает прорыв бумажного фильтра. Суспензию перемешивают и переносят на фильтр при умеренном разрежении, т.е. поток воды, проходящий через водоструйный насос, не должен быть сильным. Фильтрование при умеренном разрежении более эффективно, чем при сильном, т. к. в последнем случае мелкие частички осадка забивают поры бумажного фильтра, что замедляет фильтрование. Если после выливания в воронку всей суспензии в сосуде кристаллы еще остались, приемную колбу отсоединяют от водоструйного насоса, отливают из нее некоторое количество маточного раствора и смывают им кристаллы, оставшиеся в стакане. При необходимости эту операцию повторяют. Отсасывание продолжают до тех пор, пока большая часть маточника не пройдет через фильтр. Фильтрование ускоряется, если осадок в процессе отсасывания отжимают плоской поверхностью широкой стеклянной пробки, заделывая возникающие трещины. Не следует разрыхлять осадок, размешивать его - это не ускоряет, а, наоборот, замедляет фильтрование. Осадок на фильтре обычно промывают чистым растворителем, из которого проводилась перекристаллизация. При этом используют минимальное количество желательно охлажденной жидкости, чтобы избежать потерь вещества в результате растворения. Перед промывкой отсоединяют приемник от водоструйного насоса и наливают на слой осадка несколько миллилитров растворителя. Шпателем осторожно, 27 стараясь не прорвать бумажный фильтр, смешивают промывную жидкость с осадком. Затем снова подключают водоструйный насос и тщательно отсасывают жидкость, снова уплотняя осадок широкой пробкой. Перекристаллизация вещества из легколетучего растворителя Вещество, подвергающееся очистке, и небольшое количество растворителя вносят (рис. 2) в колбу (1), снабженную обратным холодильником (2) и капельной воронкой (3). Колбу помещают в горячую водяную баню (4). Наблюдают за состоянием вещества в колбе. Если при кипении растворителя вещество в нем растворилось не полностью, из капельной воронки прибавляют дополнительную порцию растворителя (1 – 2 мл). Так повторяют до тех пор, пока после прибавления очередной порции растворителя не образуется гомогенный (однородный) раствор. Для ускорения растворения колбу вместе с холодильником рекомендуется осторожно покачивать. Далее можно поступать двояким образом. Если горячий насыщенный раствор не имеет явно выраженной бурой окраски, вызванной присутствием в нем продуктов окисления и осмоления, то, погасив горел- Рис. 2. Установка для нагревания растворов в легколетучих растворителях ку и отсоединив после этого от колбы обратный холодильник, раствор переливают в сухой стаканчик и дают охладиться. Для ускорения процесса охлаждения стаканчик можно поставить в холодную воду. Когда из охлажденного раствора закончится выпадение кристаллов, их отфильтровывают на воронке Бюхнера. В том случае, когда раствор имеет темную окраску, его обесцвечивают активированным углем. Для этого гасят горелку, поднимают колбу над поверхностью горячей воды, дожидаются прекращения кипения раствора, отсоединяют от колбы обратный холодильник и вносят в раствор порцию активированного угля (20 - 30 мг угля на 1 г растворенного вещества). (Если активированный уголь добавить к кипящей жидкости, – а она, как правило, перегрета – в результате энергичного вскипания раствор выбросит из колбы.) Возвращают установ28 ку в исходное положение и кипятят раствор с обратным холодильником 5 – 10 минут. Фильтруют обесцвеченный горячий раствор от угля на предварительно нагретой воронке Бюхнера или другим способом (см. стр. 27). Сушка органических веществ Температура, при которой высушивается полученное вещество, должна быть ниже его температуры плавления. При этом следует иметь в виду, что оставшийся в веществе растворитель понижает Тпл. Для высушивания органического вещества с температурой плавления, превышающей комнатную более, чем на 30 С, обычно применяют сушильный шкаф, в который вещество следует помещать в фарфоровой чашке или в чашке Петри, но не на листе бумаги. Многие, особенно легкоплавкие, вещества сушат на воздухе. Для этого препарат равномерно распределяют на листе бумаги тонким слоем, накрывают его другим листом бумаги, в котором предварительно прокалывают некоторое количество отверстий, и оставляют в таком виде при комнатной температуре на несколько дней. Под лист чистой бумаги, на котором раскладывают вещество, полезно подложить сложенный в несколько раз лист газетной бумаги. Критерием полного высыхания (точнее - достижения воздушносухого состояния) является постоянство веса высушиваемого образца при взвешивании его через определенные промежутки времени. Определение температуры плавления вещества Температурой плавления (Тпл) твердого кристаллического вещества называется температура, при которой оно начинает переходить в жидкое состояние при атмосферном давлении. Абсолютно чистое индивидуальное вещество имеет строго определенную Тпл. Однако в обычной практике вещество редко удается довести до чистоты, близкой к 100 %, поэтому полное превращение твердого образца в жидкость происходит в некотором температурном интервале Тпл = Тк - Тн, где Тк и Тн - соответственно температуры начала и конца плавления. Эти температуры обычно и указывают при характеристике чистоты полученного вещества (в том числе довольно часто в справочниках; например, в “Справочнике химика”, т. II, для п-аминоацетанилида Тпл 161 - 162 С, для ванилина 81 - 83 С и т. п.). Чем чище вещество, тем меньше Тпл. Практически чистое вещество имеет Тпл не более 0,5 С. Разность между началом и концом плавления в 1 С свидетельствует о 29 хорошем качестве полученного продукта. Неправильно принимать за температуру плавления среднюю величину (Тн + Тк )/2. Примесь любого другого вещества, способного полностью или частично смешиваться с исследуемым соединением, понижает его температуру плавления и, как правило, расширяет температурный интервал Тпл. Величина Тпл получается завышенной также из-за неправильного, слишком быстрого, нагревания образца. Температура плавления – физическая константа химического соединения. Совпадение найденной и табличной величин Тпл служит одним из доказательств природы неизвестного вещества при его идентификации (распознавании). Прибор для определения температуры плавления изображен на рис. 3. Вещество помещают в стеклянный капилляр (7), который с помощью резинового колечка (6) прикрепляется к термометру (3) так, чтобы столбик вещества в капилляре был прижат к шарику термометра и за его состоянием можно было наблюдать через прозрачные стенки сосудов (1 и 2) и слой концентрированной серной кислоты, находящейся в сосуде (1). Капилляр представляет собой тонкостенную трубочку длиной 40 – 50 мм и диаметром 0,8 – 1 мм. С одного конца (более узкого) капилляр запаивают, для чего достаточно Рис. 3. Прибор для определения поднести кончик капилляра к краю температуры плавления: 1 – внешнижней части пламени горелки. ний сосуд, заполненный концентрированной серной кислотой; 2 – Около 0,1 г исследуемого вещества внутренний пустой сосуд; 3 – терпомещают на часовое стекло или на мометр, укрепленный с помощью вогнутую поверхность донышка резиновой пробки с боковым выреперевернутого стеклянного стакана зом 4; 5 – отвод внешнего сосуда; 6 и как можно тоньше измельчают – резиновое кольцо; 7 – капилляр с кристаллы с помощью стеклянной веществом; 8 – металлическая или асбестовая сетка палочки. Если нет уверенности в 30 том, что вещество совершенно сухое, стаканчик перед помещением на него образца можно слабо нагреть и подержать измельченное вещество на теплой поверхности в течение некоторого времени (~ 10 минут). Прикасаются открытым концом капилляра к “горке” измельченного вещества и попавшие внутрь кристаллы проталкивают вниз капилляра, бросая его несколько раз запаянным концом вниз в трубку длиной 60 – 70 см и диаметром около 1 см, поставленную вертикально на металлическую, стеклянную или керамическую поверхность. Уплотнение образца в капилляре происходит при ударе о твердую поверхность. При этом из-за упругой деформации стекла капилляр несколько раз подскакивает внутри трубки. Высота столбика вещества в капилляре должна быть 4 – 5 мм (не больше). Чем лучше уплотнено вещество в капилляре, тем точнее может быть определена температура плавления. Капилляр прикрепляют к термометру, как об этом было сказано выше, и начинают нагрев прибора. Если температуру плавления измеряют с целью определения степени чистоты известного продукта, прибор нагревают сначала быстро до температуры приблизительно на 10 С ниже известной из справочника Тпл чистого вещества. После этого горелку на короткое время отставляют, однако столбик термометра еще продолжает подниматься из-за тепловой инерции. Затем, тщательно дозируя подвод тепла расположением пламени горелки под сеткой, очень медленно поднимают температуру (1 – 2 С за 1 минуту). Чем медленнее поднимается столбик ртути в термометре, тем точнее может быть измерена температура плавления. В процессе нагревания наблюдают за состоянием вещества в капилляре. Температуру, при которой столбик вещества в результате появления жидкой фазы начинает разрушаться, уменьшаясь в объеме (“съеживается”), принимают за начало плавления. В этот момент отмечают показание термометра (Tн). Еще более замедляют темп нагревания и дожидаются момента, когда вещество в капилляре полностью превратиться в жидкость. Это – конец плавления. Ему соответствует показание термометра Tк. Если необходимо определить температуру плавления неизвестного вещества, то, прежде всего, следует убедиться, что оно вообще способно расплавляться при такой температуре, которая лежит в обычных пределах величин Тпл органических соединений (<300 C). Это можно сделать, нагревая небольшое количество продукта на стеклянной палочке над пламенем горелки. Только убедившись в том, что неизвестное вещество плавится на нагретой стеклянной палочке, мож31 но приступить к определению его температуры плавления в капилляре. В этом случае обычно проводят не менее двух испытаний. В первом опыте Тпл определяют ориентировочно при относительно быстром темпе нагревания. Для второго опыта следует использовать вновь набитый капилляр и определить Тпл более тщательно при медленном повышении температуры, как это описано выше. В приборе, изображенном на рис. 3, заполненном концентрированной серной кислотой, запрещается определять температуры плавления веществ, плавящихся выше 200 С. Следует также указать на другие меры предосторожности при работе с прибором для определения температуры плавления, заполненном концентрированной серной кислотой. Определение высоких Тпл (180 – 200 С) следует проводить в защитных очках или наблюдать за плавлением через защитный экран. Отвод (5) сосуда (рис. 3) при нагреве должен быть обращен в ту сторону, где нет людей. Если капилляр упал на дно внутреннего сосуда, не пытайтесь доставать его с помощью стеклянной палочки и ни в коем случае не переворачивайте прибор! Нельзя принудительно охлаждать горячий прибор холодной водой; перед повторным определением температуры плавления прибору надо дать постепенно остыть на воздухе. Контрольные вопросы 1. На каких различиях в свойствах вещества и примесей к нему основан метод очистки твердого вещества путем перекристаллизации? 2. Как обычно изменяется растворимость органических веществ с изменением температуры? 3. Какими свойствами должен обладать растворитель для того, чтобы быть пригодным для перекристаллизации вещества? 4. Как практически подбирают растворитель, пригодный для перекристаллизации вещества? 5. Как правильно приготовить горячий насыщенный раствор вещества: а) в воде; б) в легколетучем огнеопасном растворителе? 6. Как проводится удаление примесей продуктов осмоления, придающих веществам буро-желтую окраску? 7. Для чего и как проводится “горячее” фильтрование? 8. Какие меры предосторожности должны соблюдаться при внесении активированного угля в раствор? 9. Как и для чего определяют температуру плавления вещества? 1.3.2. Перегонка органических жидкостей 32 При очистке жидких соединений применяют метод перегонки: при этом вещество превращается в парообразное состояние и в результате последующего охлаждения паров в другом месте вновь возвращается в жидкое состояние. Необходимым условием для применения этого метода очистки является стойкость вещества при его температуре кипения. Вещества относительно простого состава, а также легко летучие: углеводороды, спирты, эфиры, низшие кислоты, амины и т. п. перегоняют при атмосферном давлении. Все вещества, переходящие в парообразное состояние с разложением, а также кипящие при очень высокой температуре, перегоняют под уменьшенным давлением. Твердые кристаллизующиеся вещества только тогда подвергаются перегонке, когда очистка кристаллизацией вследствие слишком большой растворимости или других причин не дает хороших результатов. Перегонка, производится ли она при атмосферном или уменьшенном давлении, имеет целью не только отделение очищаемого продукта от нелетучих примесей, но и служит для разделения смесей летучих веществ, для чего пользуются различием температур кипения. 1.3.2. Простая перегонка при атмосферном давлении Сосудом для перегонки (рис. 4) служит простая круглодонная колба с наклоненной вниз отводной трубкой (колба Вюрца). Термометр укрепляется в шейке колбы при помощи просверленной пробки. Шарик ртути должен полностью находиться в парах вещества, для чего его опускают на 5 – 10 мм ниже отводной трубки. Величина перегонной колбы выбирается таким образом, чтобы от половины до двух третей ее шарообразной части было наполнено жидкостью (см. рис. 4). Во избежание неравномерного кипения и перегревания жидкости в колбу перед перегонкой помещают “кипелки” – несколько тонких капилляров или мелкие осколки фарфора. Категорически воспрещается вносить ”кипелки” в перегретую жидкость (бурное вскипание!!! так же, как при добавке активированного угля). Жидкости, кипящие не выше 80 – 90 С, нагреваются обязательно на водяной бане (металлический сосуд или тонкостенный стакан, наполненный водой). Температура бани должна быть на 10 – 20 С выше температуры кипения вещества. Правильное регулирование температуры нагревания имеет большое значение, так как при слишком энергичном подводе тепла происходит перегревание паров и термометр показывает завышенную температуру перегонки. При перегонке диэтилового эфира (Ткип 36 С) и растворов, содержащих эфир, во избежание пожара в радиусе 2 м от установки 33 не должно быть источников открытого пламени (горелки, электроплитки). Воду для бани следует нагревать на соседнем столе. Рис. 4. Схема установки для простой перегонки жидкостей с температурами кипения ниже 100 С: 1 – штатив, 2 – термометр, 3 – колба Вюрца, 4 – водяная баня, 5 – “кипелки”, 6 – треножник, 7 – газовая горелка, 8 – прямой водяной холодильник (холодильник Либиха), 9 – алонж, 10 – приемная колба Жидкости, кипящие выше 90 С, нагреваются на масляной, парафиновой или воздушной бане, или на сетке. Вещества, имеющие Ткип до 150 С, перегоняются с водяным холодильником (см. рис. 4), кипящие выше 150 С, перегоняют с воздушным холодильником без водяного охлаждения. Перегонку обычно проводят описанным ниже образом. После постепенного нагревания колбы, когда появляются внешние признаки кипения и граница конденсации паров достигает уровня шарика термометра, ртутный столбик быстро поднимается вверх и останавливается при определенной температуре – температуре кипения. Когда Ткип твердо установится в пределах одного градуса, приемник с первой фракцией заменяют другим, чистым и сухим, предназначенным для сбора ожидаемого вещества, и продолжают нагревать так, чтобы в секунду в приемник падала примерно одна капля. Необходимо 34 все время следить за показанием термометра. Перегонку заканчивают, оставляя в перегонной колбе 10 % от исходного количества жидкости. Перегонка при уменьшенном давлении (под вакуумом) Воздействие повышенной температуры благоприятствует разложению веществ. При атмосферном давлении нагреваемые вещества очень часто деструктируют еще до достижения температуры кипения. Такие вещества могут быть очищены перегонкой при уменьшенном давлении (в вакууме), так как при этом они подвергаются действию значительно более низкой температуры. Из графиков на рис. 5 следует, что температура кипения жидкости падает с уменьшением внешнего давления. Кипение – это процесс, при Рис. 5. Кривые зависимости котором образование пара происходавления пара от температуры дит не только на поверхности, но и в (пунктир - уровень атмосферобъеме жидкости. Центрами парообного давления) разования служат мельчайшие пузырьки воздуха, которые при обычной перегонке достаточно равномерно образуются либо самопроизвольно, либо с помощью “кипелок”. Вакуумированная жидкость практически не содержит растворенного воздуха и кипит неравномерно, толчками. Поэтому наиболее удобным сосудом для перегонки при пониженном давлении является колба Клайзена, либо изображенная на рис. 6 круглодонная колба (4) в комбинации с насадкой Клайзена (3). Насадка Клайзена с помощью вставленной в нее капиллярной трубки (6) обеспечивает равномерную подачу пузырьков воздуха или инертного газа в перегонную колбу и имеет систему трубок, препятствующую перебрасыванию жидкости в холодильник. Регулировку подачи газа осуществляют с помощью винтового зажима (2), сдавливающего резиновую трубку (1), которой оканчивается капилляр. Если перегоняемые вещества чувствительны к действию воздуха, его заменяют азотом или углекислым газом. Капилляр вставляется в трубку (а) 35 насадки Клайзена (3). Конец капилляра должен близко прилегать к наиболее глубокому месту шарообразной части колбы. В трубку (б) насадки Клайзена вставляют термометр (5) так, чтобы ртутный шарик был несколько ниже отводной трубки. Приемником может служить колба Вюрца. Вакуумную перегонку, как правило, осуществляют с помощью посуды со шлифами, которые экономно покрывают вакуумной смазкой при сборке установки. Рис. 6. Схема установки для перегонки жидкостей при уменьшенном давлении: 1 – резиновая трубка, 2 – кран для регулировки подачи пузырьков газа в перегонную колбу, 3 – насадка Клайзена, 4 – перегонная колба, 5 – термометр, 6 – капиллярная трубка, 7 – прямой холодильник, 8 – вакуумная насадка, 9 – приемная колба Если перегоняемое вещество имеет высокую температуру кипения (150 – 300 С), колбу Клайзена соединяют непосредственно с колбой Вюрца, а отводную трубку последней с вакуумным насосом. При перегонке жидкостей, кипящих ниже 150 С, между колбами Клайзена и Вюрца включают холодильник водяного или воздушного охлаждения. Давление все время должно контролироваться, так как от него зависит температура кипения (см. рис. 5). Непостоянство температуры 36 кипения очень часто является следствием меняющегося во время перегонки давления. Перед началом перегонки при уменьшенном давлении необходимо убедиться в герметичности установки. Это делается при помощи манометра. Нагревание надежнее производить посредством бани, к обогреву которой приступают только тогда, когда вакуум уже установлен. Температура бани должна строго соответствовать температуре кипения вещества. Когда температура кипения данной фракции достигнута, температура бани должна поддерживаться постоянной. Колбу погружают в баню настолько, чтобы поверхность перегоняемой жидкости была ниже уровня теплоносителя. Шар колбы не следует наполнять более чем наполовину. При перегонке в вакууме никогда не следует забывать о защите глаз. Если лопается вакуумированная колба, это мало чем отличается от взрыва сосуда при избыточном давлении. По окончании перегонки во время сброса вакуума жидкость, находящаяся в шарообразной части колбы, под влиянием внешнего давления устремляется в капиллярную трубку, где еще имеется разрежение, и даже в резиновую трубку. Этого можно избежать, осторожно открывая винтовой зажим на резиновой трубке и одновременно увеличивая давление в системе с помощью регулировочного крана, установленного у вакуумного насоса. Перегонка с водяным паром Для отгонки многих органических соединений широко пользуются перегонкой с водяным паром. Этот прием применим, когда требуется отогнать нерастворимые в воде органические вещества от неорганических солей или отделить летучие с парами воды соединения от нелетучих. Установка для перегонки с паром изображена на рис. 7. Колба-парогенератор (2) должна быть заполнена водой не более чем наполовину. Нижний конец предохранительной трубки (1) должен быть погружен в воду. Если произойдет закупорка системы, например, забьется конец вводной трубки (5) или закристаллизовавшийся продукт забьет трубку холодильника, вода будет подниматься по предохраняющей трубке. В этом случае необходимо, соблюдая предосторожность, убрать газовую горелку из-под парообразователя, отсоединить резиновую трубку (3) от перегонной колбы и устранить причину закупорки. В качестве перегонной обычно используют круглодонную колбу емкостью не менее 500 мл. Она должна быть поставлена наклонно и 37 заполнена не более чем на 1/3 своего объема. Перед началом отгонки перегонную колбу осторожно подогревают горелкой, чтобы избежать накопления в ней конденсата. Трубка (5), по которой водяной пар поступает в колбу (4), доходит почти до дна колбы. Вводимый в колбу водяной пар увлекает с собой образующиеся над поверхностью жидкости пары органического вещества и уносит их в холодильник (7). В холодильнике пары конденсируются, и жидкость через алонж (8) стекает в приемник (9). Рис. 7. Схема установки для перегонки с водяным паром: 1 – предохранительная трубка, 2 – колба-парогенератор, 3 – соединительная резиновая трубка, 4 – перегонная колба, 5 – трубка для ввода водяного пара, 6 – выводная трубка, 7 – прямой водяной холодильник; 8 – алонж, 9 – приемная колба Если дистиллят застывает в холодильнике, то время от времени выключают охлаждающую воду, продолжая пропускать пар через холодильник. При этом вода в рубашке холодильника разогревается и закристаллизовавшееся вещество плавится. Следует избегать проскока пара через холодильник. Это приводит к попаданию ядовитых паров в помещение лаборатории. Отгонку ведут до тех пор, пока стекающий дистиллят не становится прозрачным. По окончании перегонки, потушив горелку под парообразователем, нужно снять зажим между сосудами (2) и (4) во избежание перетягивания содержимого колбы в парообразователь. 38 Причину перегонки с водяным паром объясняет закон Дальтона, согласно которому общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов. Несмешивающиеся вещества при нагревании в герметически закрытом сосуде образуют насыщенные пары, парциальные давления которых зависят только от температуры и теоретически равны давлению паров чистых компонентов. Иначе говоря, в 1 м 3 смеси насыщенных паров содержится одновременно такое же количество каждого компонента, какое заключалось бы в 1 м3 насыщенного пара каждого из компонентов, взятого в чистом виде. Общее давление над жидкой смесью в этом случае равно сумме парциальных давлений паров всех ее компонентов. Рассмотрим конкретный пример. При 98,4 С давление насыщенного пара анилина составляет 43, а воды – 717 мм. рт. ст. Анилин практически не растворяется в воде так же, как вода в анилине. Поэтому суммарное давление паров над смесью воды с анилином при этой температуре равно атмосферному: 43 + 717 = 760 мм. рт. ст. Если давление насыщенного пара жидкости равно атмосферному, она кипит. Следовательно, смесь анилина с водой закипит при температуре ниже, чем температура кипения чистой воды. Для справки, температура кипения чистого анилина равна 184 С. Уравнение идеального газа (pv = nRT) в приложении к анилину (А) и воде (В) имеет вид: pAv = (mA/MA)RТ и pВv = (mВ/MВ)RТ соответственно. Здесь v – объем смеси паров, Т – температура, R – газовая постоянная, mA и mB – массы, МA и МB – мольные массы, рA и рB – парциальные давления паров анилина и воды соответственно. Принимая во внимание, что объем, занимаемый парами воды и анилина, одинаков, получим: mA/mВ = (pAMA)/(pВMВ) = (4393)/(71718) = 1/3,23. Это значит, что в парах на одну весовую часть анилина приходится 3,23 весовые части воды, т. е. содержание анилина в равновесной смеси паров должно составлять 23,6 %. В реальных условиях соотношение анилин : вода значительно меньше, так как при быстром пропускании водяного пара через реакционную массу давление пара анилина не успевает достичь равновесного значения. Кроме того, анилин, хотя и мало, но все-таки растворим в воде (в 100 г воды растворяется 3,4 г при 20 и 6,4 г при 90 С). Поэтому применять закон Дальтона для системы вода – анилин можно только с известными оговорками. 39 Фракционная перегонка и перегонка с дефлегматором Возможности разделения веществ с помощью простой перегонки весьма ограничены. Фактически она позволяет отделить летучие соединения от нелетучих, например, диэтиловый эфир (Ткип = 36 С) отогнать от анилина (Ткип = 184 C). Если температуры кипения неограниченно смешивающихся жидкостей различаются менее, чем на 50 С, дистиллат – продукт перегонки – обязательно содержит компонент с высокой температурой кипения (даже если это первые капли дистиллата), а остаток в перегонной колбе (кубовый остаток) – компонент с низкой температурой кипения. Правда его содержание будет значительно меньше, чем в исходной смеси. Поэтому если перегонку повторить несколько раз, можно получить достаточно чистые вещества. Практически при дробной перегонке поступают следующим образом. Смесь перегоняют, собирая три фракции, обычно в заранее выбранных температурных интервалах. Например, если перегоняется смесь метилового спирта (Ткип = 64 С) и воды, температурный интервал, в котором может кипеть такая смесь, равен 100 – 64 = 36 С. Этот интервал делят на три части. Первую фракцию собирают в пределах 64 – 76 С, вторую – 76 – 88 С и третью – 88 – 100 С. Первая фракция содержит преимущественно (но не исключительно) метиловый спирт, а последняя – преимущественно воду. Чем больше разнятся температуры кипения компонентов, тем больше объемы первой и последней фракций и тем меньше объем промежуточной. Далее вновь перегоняют первую фракцию. После того, как температура повторной перегонки поднимется до 76 С, к кубовому остатку прибавляют вторую фракцию первой перегонки. Может это покажется странным, хотя удивительного здесь ничего нет, но полученная смесь закипает при температуре ниже 76 С. Поэтому приемник дистиллата меняют только тогда, когда температура вновь не достигнет 76 С. Затем собирают фракцию с температурой кипения до 88 С и к кубовому остатку прибавляют третью фракцию, полученную при первой перегонке. Вновь жидкость закипает при температуре несколько ниже 88 С, поэтому приемник пока остается прежним. Третью фракцию собирают, как и первый раз в интервале температур 88 – 100 С. Если промежуточная фракция в результате повторной перегонки остается большой по объему, ректификацию повторяют еще и еще раз. В конечном счете путем больших затрат времени и труда с помощью фракционной перегонки можно получить практически чистые вещества, даже если они очень близки по температурам кипения. К сча40 стью, существует более приемлемый вариант разделения смесей компонентов с близкими температурами кипения – ректификация. Самым простым вариантом ректификации является перегонка с дефлегматором (рис. 8). Рис. 8. Схема установки для перегонки с дефлегматором: 1 – термометр, 2 – дефлегматор, 3 – перегонная колба, 4 – водяная баня , 5 – прямой холодильник, 6 – алонж, 7 – приемная колба Дефлегматор (2) – это стеклянная трубка, внутренняя поверхность которой сплошь покрыта выступами для увеличения площади контакта паров жидкости, поднимающихся из колбы (3), с конденсатом, стекающим обратно. (Конденсат в данном случае называется флегмой, откуда и название “дефлегматор”). В дефлегматоре горячие пары (предпочтительно компонент с высокой температурой кипения) конденсируются в более холодной жидкости. При этом выделяется теплота, которая расходуется на повторное испарение конденсата, причем предпочтительно его компонента с меньшей температурой кипения. Этот процесс конденсации – испарения многократно повторяется, и из дефлегматора в холодильник (5) поступает пар, обогащенный легко летучим компонентом. Следует отметить, что эффективность работы дефлегматора тем выше, чем он длиннее, лучше термоизолирован и чем медленнее осуществляется перегонка. Установлено, что перегонка с дефлегматором 41 длиной 1 м соответствует обычной двукратной перегонке. Практически используемые дефлегматоры в два – три раза короче, поэтому для более менее удовлетворительного разделения компонентов жидкости перегонку приходится повторять. Очень простой по конструкции и эффективной в работе является лабораторная ректификационная колонка, представляющая собой стеклянную трубку диаметром 35 – 40 мм длиной 70 – 80 см, заполненную стеклянными колечками диаметром 4 – 5 мм или обрезками трубочек диаметром 2 – 2,5 мм длиной 6 – 7 мм. Такую колонку, как и дефлегматор, следует хорошо термоизолировать. Примерно половину выходящих из нее паров следует сконденсировать в обратном холодильнике и вернуть назад в колонку в виде флегмы. Вторая половина направляется в прямой холодильник и далее через алонж в приемную колбу. Перегонка с такой колонкой в 5 –10 раз более эффективна, чем обычная. Существуют смеси, которые при определенном составе дают пар, не отличающийся по составу от жидкости. Они называются азеотропными (постояннокипящими) и разделить их никакой перегонкой невозможно. Примером азеотропа может служить смесь 95,57 % этилового спирта и 4,43 % воды. Эта смесь, подобно чистому веществу, вся выкипает при постоянной температуре (78,15 С). Дополнительные сведения по технике лабораторных работ см. в [5, 6]. Контрольные вопросы 1. Какие типы перегонки применяют для разделения и очистки органических жидкостей? 2. Изобразите схему установки для простой перегонки. 3. Какова темературная зависимость давления насыщенных паров органических жидкостей? 4. Что называется кипением? При каких условиях жидкость закипает? 5. В чем особенности перегонки жидкостей под вакуумом? 6. В каких случаях применяют перегонку с водяным паром? Какими свойствами должна обладать органическая жидкость, чтобы она перегонялась с паром? 7. В чем суть фракционной перегонки? 8. Для чего применяют дефлегматор и ректификационные колонки? Каковы принципы их работы? 9. Что такое азеотропные смеси? 42 1.3.3. Хроматография Хроматография – это метод разделения, качественного и количественного анализа смесей веществ, основанный на распределении вещества между двумя фазами – подвижной и неподвижной. Подвижная фаза в большинстве случаев – растворитель или газ, неподвижная – сорбент с высокоразвитой поверхностью. Примеры неподвижной фазы – фильтровальная бумага (есть специальная бумага для хроматографии), тонкие порошки оксида алюминия, диоксида кремния, талька, сахара и т.д. Вариантов хроматографии много, но наибольшее распространение получили адсорбционная, открытая российским ученым М. С. Цветом, газо-жидкостная, тонкослойная и бумажная. Все они используются в студенческом лабораторном практикуме. По назначению хроматографию подразделяют на аналитическую – качественный и количественный анализ – и препаративную. В аналитических целях используют и адсобционную, и газо-жидкостную хроматографию. В препаративных, для получения индивидуальных веществ, – в основном адсорбционную. Для анализа качественного и количественного состава смесей веществ относительно небольшой молекулярной массы применяют газо-жидкостную хроматографию. Газо-жидкостная хроматография В качестве неподвижной фазы в газо-жидкостной хроматографии применяется инертный носитель с высокоразвитой поверхностью, например, пемза, на которой равномерным тонким слоем распределен высококипящий растворитель, давление паров которого при максимальной рабочей температуре хроматографа, практически, равно нулю. Это могут быть тяжелые парафины, эфиры полимерных спиртов и т.п. Весьма перспективны в этом отношении жидкие кристаллы. Этим сорбентом равномерно заполняется свернутый в спираль металлический капилляр с внутренним диаметром порядка 1 мм и длиной в метр и более. Колонки готовит завод-производитель хроматографов. В газожидкостном хроматографе колонка термостатируется с высокой точностью, обычно ± 0,1 ˚С. Проба исследуемой смеси веществ (~0,001 мг) с помощью микрошприца «закалывается» в испаритель хроматографа из которого увлекается потоком инертного газа-носителя – обычно это гелий или азот – в колонку. Скорость потока газа-носителя регулируется и имеет строго определенную величину. Пары компонентов газовой смеси сорбируются растворителем неподвижной фазы, растворяются в нем, а 43 затем десорбируются – переходят в газовую фазу. С потоком газаносителя вещество переносится на следующий участок колонки, где повторяются процессы сорбции-десорбции. За время перемещения по хроматографической колонке (обычно, минуты – десятки минут) сорбция-десорбция повторяется тысячи раз. То есть, как метод разделения веществ газо-жидкостная хроматография в тысячи раз белее эффективна, чем фракционная перегонка. (То же можно сказать и про адсорбционную хроматографию, см. ниже). Компонент анализируемой смеси, который лучше сорбируется растворителем неподвижной фазы, медленно перемещается по колонке и выходит из нее последним. Не склонный к сорбции в растворителе неподвижной фазы компонент выходит из колонки первым. На выходе колонки в хроматографе установлен тот или иной детектор, определяющий характеристики газовой смеси например, ее теплопроводность. Теплопроводность изменяется, если в газе появляются пары исследуемого вещества, и регистрируется в виде хроматограммы, которая фиксирует зависимость теплопроводности от продолжительности процесса хроматографирования. Измерение теплопроводности позволяет регистрировать появление в ганосителе 10-5 – 10-8 моль вещества. Более чувствительным является пламенно-ионизационный детектор, который уверенно регистрирует 10-15 моль исследуемого вещества. Анализ данных, полученных в виде бумажных хроматограмм, описан в разделе 2.2.2 (стр. ) Современные хроматографы снабжены персональными компьютерами, которые в автоматическом режиме анализируют качественный и количественный состав исследуемых смесей веществ. Жидкостная хроматография Жидкостная адсорбционная хроматография в принципе похожа на газо-жидкостную. Исследуемую смесь веществ растворяют в специально подобранном растворителе и раствор выливают в хроматографическую колонку (рис. 9), заполненную мелкодисперсным адсорбентом. После того, как верхний уровень раствора опустится до слоя адсорбента, небольшими порциями начинают приливать растворитель. Обычно в верхней части колонки адсорбируются вещества с большой молекулярной массой и высокой адсорбционной способностью. Эта зона по колонке не движется. Рис. 9. Хроматографическая колонка: 1 – колонка, 2 – проявляющий растворитель, 3 – зоны компонентов смеси, 4 – адсорбент, 5 – слой ваты 44 Другие компоненты сложной смеси – менее склонные к адсорбции и более растворимые – движутся с растворителем вниз по колонке и многократно, сотни и тысячи раз, то сорбируются, то растворяются. В результате хорошо растворимые, плохо адсорбирующиеся вещества движутся по колонке быстро, а хорошо адсорбирующиеся, малорастворимые на колонке задерживаются. Растворитель в данном случае называют проявителем. Часто его используют для последовательного вымывания (элюирования) компонентов смеси и называют в таком случае элюентом. Реже, когда на колонке четко проявятся отдельно расположенные зоны компонентов смеси, «колбаску» адсорбента выжимают из колонки давлением воздуха, окрашенные зоны механически разделяют, переносят на фильтр и смывают подходящим растворителем – элюентом. Применение жидкостной адсорбционной хроматографии особенно наглядно при разделении окрашенных веществ. Однако и бесцветные разделяются не менее эффективно. В этом случае границы зон компонентов определяют, облучая колонку ультрафиолетовыми лучами. Ароматические соединения и соединения с сопряженными системами π-связей в ультрафиолетовых лучах интенсивно люминесцируют. Методики разделения многих смесей веществ отработаны до совершенства, поэтому задача подбора адсорбента и проявителя не стоит. Однако, если анализу подлежат ранее не исследованные вещества, появляется задача рационального выбора условий хроматографического разделения. Существуют некоторые правила выбора адсорбентов и растворителей. Некоторые адсорбенты для жидкостной препаративной хроматографии выпускаются в промышленных масштабах: оксид алюминия, силикагель (гидратированный аморфный диоксид кремния), целлюлоза и др. Оксид алюминия для хроматографии в зависимости остаточного содержания воды имеет разную адсорбционную активность. Обычно применяют Al2O3 II и III степени активности по Брокману, из них первый более, а второй менее активный. На оксиде алюминия прочно сорбируются органические соединения, содержащие полярные гидроксильные и карбоксильные группы. Для хроматографического выделения таких соединений целесообразно использовать силикагель. В принципе, чем выше склонность вещества к адсорбции, тем выше должна быть растворяющая способность растворителя, которую обычно связывают с его полярностью. Нередко в качестве проявителей используют смешанные растворители, меняя соотношение хорошо растворяющего и не растворяющего компонентов. Понятно, что, если 45 вещество обладает более-менее выраженными кислотными свойствами, то его хорошо растворяют электронодонорные растворители типа пиридина, диметилформамида, простых эфиров и т.п. Наоборот, если оно содержит электронодонорные группировки, эффективным растворителем будет уксусная кислота, подкисленная вода или спирт. Если вещество полярно, оно хорошо растворяется в полярных растворителях таких, как метиловый и этиловый спирты, Ошибка! Ошибка свяO CH3 H C CH3 O S N CH3 CH3 зи. В заключение следует отметить, что достоинством жидкостной хроматографии по сравнению с газо-жидкостной является то, что разделение веществ происходит в мягких температурных условиях, исключающих термическое разложение веществ, что особенно важно для биологически активных соединений и веществ природного происхождения. При промышленном применении жидкостной хроматографии применяют колонны диаметром до полуметра и разделяют килограммовые количества веществ. Тонкослойная и бумажная хроматография Эти типы хроматографии применяют для качественного анализа смесей веществ. Для бумажной хроматографии применяется специальная однородная по толщине и плотности бумага из чистой целлюлозы. Внизу бумаги чертится линия, на которую с помощью капилляра наносятся небольшие, менее 0,1 мл, порции анализируемого раствора и растворов заведомо известных соединений. После высыхания растворителя бумагу помещают с цилиндр, на дно которого налит растворитель, так, чтобы стартовая линия была выше уровня жидкости. Цилиндр сверху закрывают, чтобы в нем были насыщенные пары растворителя. За счет капиллярных сил растворитель поднимается вверх по бумаге и увлекает за собой компоненты смеси со стартовой линии. По совпадению расстояния, на которое переместились зоны стандартных образцов и компонентов исследуемой смеси судят о ее составе. Для осуществления тонкослойной хроматографии на стеклянную или металлическую пластинку наносят тот или иной тонкодисперсный адсорбент слоем в ~0,5 мм и далее проводят анализ, как при бумажной хроматографии. Достоинство метода в том, что есть широкий выбор адсорбентов. Сейчас промышленно производятся стандартные пластинки для тонкослойной хроматографии с чрезвычайно одно46 родными слоями адсорбентов – силикагеля (силуфол) и оксида алюминия (алуфол). Скорость перемещения индивидуальных соединений с определенным растворителем, движущимся за счет капиллярных сил, на таких пластинках определяется однозначно. Соответственно, появляется хроматографическая характеристика вещества Rf, которая равна отношению расстояния, на которое продвинулась зона растворителя к расстоянию, на которое переместился фронт растворителя. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. На каких принципах основаны хроматографические способы разделения веществ? 2. Какие типы хроматографии Вы знаете? 3. Какие количества вещества можно анализировать хроматографическими методами? 4. Каковы принципы подбора адсорбентов и проявителей в жидкостной хроматографии? 5. В чем преимущества жидкостной адсорбционной хроматографии по сравнению с газо-жидкостной? 6. Что характеризует величина Rf? 47 2. ТИПЫ РЕАКЦИЙ И СИНТЕЗЫ НА ИХ ОСНОВЕ 2.1. НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ У АТОМА УГЛЕРОДА 2.1.1. Основные теоретические положения Электроотрицательные группы, присоединенные к углероду, способны в определенных условиях замещаться на другие атомы и группы. В общем виде такие процессы могут быть представлены схемами (1, 2). На первой показан процесс замещения у sp3-гибридизованного (насыщенного) атома углерода: R R' C Y R'' R R' C : X + Y: R'' + :X (1) на второй – у карбонильного sp2-гибридизованного: R C O O + X Y: R + C :X (2) Y Уходящие группы X уносят с собой электронную пару, с помощью которой они были связаны с углеродом, поэтому они отщепляются, как правило, в виде анионов. Однако если в субстрате группа X была заряжена положительно (например, в протонированном спирте Н2О–R), то она отщепляется в виде нейтральной молекулы (H2O). Частицы, обладающие подвижной парой электронов и способные атаковать положительно заряженный атом углерода, замещая находящиеся у него электроотрицательные группы X, называются нуклеофилами. Нуклеофильная частица Y обязательно должна иметь подвижную, обычно неподеленную, электронную пару, которая необходима для образования новой ковалентной связи C-Y. Реакции нуклеофильного замещения обозначаются символами SN (от английского nucleophilic substitution). Нуклеофилами являются: Н2О:, НО:─, RÖH, RO:─, RCOO:─, H2S:, ─ HS: , :SHR, :NH3, :NH2R, :NHR2, F:─, Cl:─, Br:─, I:─, :CN─, :NO2─ и т. д. 48 Как следует из приведенного списка, нуклеофилы часто (хотя и не всегда) являются отрицательно заряженными частицами. Все нуклеофилы – основания, однако нуклеофильность частицы и ее основность – не одно и то же. Под нуклеофильностью понимается способность взаимодействовать с положительно заряженным атомом углерода, а под основностью – с протоном. Поэтому увеличение нуклеофильности далеко не всегда сопровождается ростом основности. Так, бромид-анион Br─ по своему нуклеофильному действию почти равноценен OH─, но является по сравнению с ним несравнимо более слабым основанием. Нуклеофильное замещение у sp3-гибридизованного атома углерода В качестве уходящих групп в процессах, проходящих по схеме (1), чаще всего выступают галогены, фрагменты кислот (-OSO3H, -ONO2), гидроксильная группа. Галогены по легкости замещения можно расположить в ряд: I > Br > Cl > > F. В общем случае уходящая группа X замещается тем труднее, чем слабее выражены кислотные свойства HX. В случае спиртов (X = OH) гидроксид-анион – плохая уходящая группа, так как его сопряженной кислотой является вода H-OH – очень слабая кислота. Для осуществления нуклеофильного замещения спиртовой ОН-группы реакцию проводят в среде сильной кислоты (чаще всего – серной). В этих условиях гидроксильная группа спирта протонируется и превращается в хорошую уходящую группу Н2О+ – (H3O+ – сильная кислота): ROH + H2SO4 быстро ROH2+ + HSO4- (3) Спирты с серной кислотой образуют также сложные эфиры (алкилсерные кислоты): ROH + HOSO3H ROSO3H + H2O (4) алкилсерные кислоты Можно видеть, что как в стадии (3), так и в стадии (4) образуются соединения с хорошими уходящими группами. Они и участвуют в дальнейших реакциях нуклеофильного замещения: ROH2+ + BrROSO3H + Br- RBr + H2O RBr + HSO449 Механизмы реакций нуклеофильного замещения разнообразны. При замещении у sp3-гибридизованного атома углерода наиболее характерны мономолекулярный SN1: R =/ R R C X медл. R' R'' C+ R' C + X- .. +Yбыстро Y R' R'' R'' R + C Y R' R'' переходное состояние и бимолекулярный SN2 механизмы: =/ R R Y:- + R' R'' C X Y C+ R' R X R'' Y C + XR' R'' переходное состояние Цифры 1 и 2 в этих символах обозначают число частиц, взаимодействие которых приводит к переходному состоянию (состояние с максимальной величиной потенциальной энергии системы). Если процесс состоит из нескольких последовательных элементарных стадий, то молекулярность определяется самой медленной реакцией. Можно видеть, что процесс SN1 включает две элементарные реакции, причем медленная стадия представляет собой мономолекулярный разрыв связи С-Х. Переходное состояние SN2-типа достигается при столкновении двух частиц (Y- и R3CX) , следовательно, этот процесс бимолекулярный. 50 Скорости реакций, проходящих по SN1-механизму, зависят только от концентрации соединения RX: v = k.cRX (v – скорость реакции, k – константа скорости, cRX – концентрация субстрата), в то время как скорости SN2-процессов увеличиваются прямо пропорционально концентрациям и субстрата, и нуклеофильного реагента (сY): v = k.cRX.сY Молекулярность процессов нуклеофильного замещения (SN1 или SN2) зависит от многих факторов: природы субстрата, растворителя, активности нуклеофила. Субстраты, способные образовывать относительно устойчивые карбокатионы в полярных растворителях (вода, серная кислота, муравьиная кислота и т. п.), реагируют по SN1-механизму. К ним относятся соединения, в которых уходящие группы находятся у третичных углеродных атомов или у атомов в аллильном или бензильном положениях. Ниже представлено несколько примеров таких соединений: CH3 CH3 СН2=СН-СН2-Cl CH2Cl C Cl CH3 трет-бутилхлорид, хлористый аллил, хлористый бензил. В первичных галогеналканах (например, в CH3CH2CH2Cl) замещение преимущественно проходит по механизму S N2. Вторичные алкилгалогениды типа бромистого изопропила CH3CH(Br)CH3 реагируют одновременно по обоим механизмам, часть молекул – по SN1-, а часть – по SN2- механизму. Ускорение нуклеофильного замещения OH-группы в спиртах в присутствии сильных кислот обусловлено кислотным катализом. Реакции нуклеофильного замещения, катализируемые кислотами, также могут протекать по мономолекулярному и бимолекулярному механизмам. Мономолекулярный описывается схемой: R-OH + H2SO4 быстро R-OH2 + HSO4 51 R-OH2 медленно R + :Y R быстро + H2O RY . Последовательность элементарных реакций бимолекулярного замещения спиртовой гидроксильной группы имеет вид: R-OH + H2SO4 R-OH2 + :Y быстро медленно R-OH2 + HSO4 R-Y + H2O Реакции нуклеофильного замещения спиртов обратимы. Для того чтобы сместить равновесие в сторону алкилгалогенида в качестве реагента применяют газообразные галогеноводороды, либо реакцию проводят в среде серной кислоты, связывающей воду, например: С2H5OH + HCl(газ) С2H5Cl + H2O Нуклеофильное замещение у sp2-гибридизованного карбонильного углерода Этот вид замещения имеет место при взаимодействиях: а) карбоновых кислот со спиртами (реакции этерификации), б) практически всех функциональных производных карбоновых кислот – сложных эфиров, ангидридов, галогенангидридов, амидов и т. п. – с водой (реакции гидролиза производных карбоновых кислот), в) галогенангидридов и ангидридов карбоновых кислот с аммиаком, фенолами, и т. п. (реакции ацилирования соответствующих классов соединений). Все эти взаимодействия в общем виде описываются схемой (2). Например, уравнение ацилирования анилина с помощью уксусного ангидрида (см. основную реакцию синтеза ацетанилида по методу А, стр. 63) получается из схемы (2) при R = CH3, X = OCOCH3, Y = C6H5NH2. Реакционная способность перечисленных соединений чрезвычайно сильно зависит от природы заместителя Х: чем выше электронодонорные свойства Х, тем ниже положительный заряд на карбонильном атоме углерода и тем медленнее протекает реакция. Например, хлорангидрид уксусной кислоты СН3СО-Cl с водой реагирует едва ли не со взрывом, тогда как диметилацетамид СН3CO-N(CH3)2 52 медленно гидролизуется лишь при кипячении с водными растворами кислот (серной, соляной и т.п.). Карбоновые кислоты (RCO-OH), их сложные эфиры (RCO-OR) и амиды кислот (RCO-NH2, RCO-NHR, RCO-NHR2) характеризуются относительно низкой реакционной способностью, так как группы OH, -OR, -NH2, -NHR и -NR2 сопряжены с соседней двойной связью С=О и проявляют электронодонорные свойства. Поэтому для этих соединений процессы нуклеофильного замещения у sp2-гибридизованного атома углерода осуществляют каталитически при содействии сильных кислот. Роль кислоты и в этом случае заключается в протонировании карбонильного атома кислорода, имеющего следствием рост положительного заряда на соседнем углеродном атоме: O R быстро + H2S O4 C X быстро R + OH + HS O4 C X Далее происходит присоединение нуклеофила к карбонильному атому углерода с образованием промежуточного продукта (интермедиата): + OH + Y R C X sp 2 Y медленно быстро C R sp 3 OH X интермедиат Это лимитирующая, самая медленная стадия процесса. Таким образом, реакция замещения в целом классифицируется как бимолекулярная. Атакуемый атом углерода в процессе образования интермедиата изменяет свое валентное состояние от sp2- до sp3-, следовательно углы между -связями, которые образует этот атом, уменьшаются от 120 до ~109 (заместителям вокруг этого атома становится “теснее”). Поэтому на скорость процессов нуклеофильного замещения у sp2гибридизованного атома углерода значительное влияние оказывают величины объемов групп R, X и Y. Чем они больше, тем медленнее при прочих равных условиях лимитирующая стадия образования интермедиата и, следовательно, медленнее проходит весь процесс замещения. 53 Интермедиат неустойчив и быстро отщепляет либо HX, превращаясь таким образом в продукт замещения, либо HY, что возвращает его в начальное состояние. Y C быстро OH X R R медленно + OH + X C Y Процесс завершается отщеплением Н+ от карбонильной группы: Реакции нуклеофильного замещения у карбонильного атома, катализируемые сильными кислотами, обратимы. Важно отметить, что прямая и обратная реакции имеют одни и те же промежуточные соединения. Этот частный пример иллюстрирует общий для всех обратимых реакций принцип микроскопической обратимости химических процессов. Ниже приведен пример, конкретизирующий данную схему и показывающий единый механизм обратимого процесса этерификации и гидролиза сложного эфира. O CH3 C OH C + C2H5OH O C CH3 O H медленно OH H CH3 быстро OH CH3 + OH + HS O4 C OH быстро + H2S O4 C2H5 быстро O C CH3 C2H5 OH OH быстро O быстро быстро H3C C OH2 медленно OH C CH3 C2H5 OH OH C2H5 OH2 OH OC2H5 СH3 C OH + H2O//// 54 OC2H5 CH3 + HS O4 C OH OC2H5 быстро быстро CH3 + H2S O4 C O Гидролиз производных карбоновых кислот (сложных эфиров, амидов, ангидридов, галогенангидридов) проходит не только в кислой, но также и в щелочной среде при участии гидроксид-анионов. Естественно, карбоновые кислоты в щелочной среде образуются в виде карбоксилат-ионов RCOO-, которые превращают в недиссоциированную форму RCOOH действием сильных кислот. Примером щелочного гидролиза производных карбоновых кислот может служить реакция расщепления ацетанилида: O C NH CH3 NaOHводн. ; нагрев. NH2 O CH3 + C ONa ацетанилид или фениламид уксусной кислоты ацетат натрия анилин Механизм щелочного гидролиза функциональных производных карбоновых кислот показан на следующей схеме: O R C - X + OH медленно быстро O - быстро R C OH медленно X + OH C OH + X- OH O O R O R C R + H2O C O Две первые реакции равновесны, однако третья в условиях избытка щелочи оказывается практически необратимой. Причиной этого является высокая устойчивость карбоксилатного иона, обусловленная делокализацией отрицательного заряда, в равной мере принадлежащего обоим атомам кислорода. Более подробные сведения об особенностях протекания и механизмах нуклеофильных реакций замещения представлены в учебниках по органической химии, например, в [9]. 55 Контрольные вопросы 1. Какие реагенты называются нуклеофильными? Приведите типичные примеры нуклеофильных реагентов. 2. Напишите уравнения типичных реакций нуклеофильного замещения алкилгалогенидов. 3. Изобразите схемы реакций нуклеофильного замещения алкилгалогенидов SN1- и SN2-типа. 4. В чем особенность реакций нуклеофильного замещения спиртов? Покажите механизм реакции превращения 1-пропанола в 1-бромпропан. 5. Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих механизм образования трет-бутилхлорида из трет-бутанола. 6. Какие производные карбоновых кислот вступают в реакции нуклеофильного замещения? Какое влияние оказывает природа заместителей на реакционную способность функциональных производных карбоновых кислот? 7. На примере хлористого бензоила С6Н5СОCl покажите основные типы нуклеофильных реакций замещения. 8. Изобразите механизм щелочного гидролиза бутилового эфира уксусной кислоты (бутилацетата) СН3СООС4Н9. 9. Изобразите механизм кислотного гидролиза N,N-диметилформамида. 2.1.2. Бромистый изопропил CH3 CH CH3 + KBr + H2SO4 OH CH3 CH CH3 + KHSO4 + H2O Br Собирают установку, изображенную на рис. 10. В приемник наливают столько воды, чтобы конец алонжа касался ее поверхности. В колбу, которая будет служить реакционным сосудом, наливают 18 мл свежеперегнанного изопропилового спирта (см. примечание 1), 12 мл воды, а затем осторожно при размешивании и охлаждении 5 мл концентрированной серной кислоты. Смесь охлаждают до 10 – 15 С холодной водой и при перемешивании добавляют 17 г бромистого калия, тонко измельченного в ступке. Реакционную смесь нагревают на сетке. Пары бромистого изопропила вместе с некоторым количеством спирта, воды и диизопропилового эфира, образующегося в качестве побочного продукта, проходят через дефлегматор и конденсируются в холодильнике. При слишком энергичном нагревании в приемник может перейти также и часть 56 НВr. Бромистый изопропил летуч, поэтому его собирают под слоем воды в сосуде, частично заполненном водой. Нагрев смеси продолжают до тех пор, пока в приемник не перестанут поступать маслянистые капли, опускающиеся на дно. Температура паров на выходе из дефлегматора в конце реакции достигает 90 – 95 С. Рис. 9. Установка для получения бромистого изопропила Содержимое приемника переносят в делительную воронку и как можно тщательнее отделяют нижний слой от воды, собирая его в сухую колбочку или стаканчик (см. примечание 2). Для удаления небольшого остатка воды, захваченного органическим слоем, его “осушают” с помощью безводного хлористого кальция. Через 20 – 30 мин после внесения безводного СаСl2 жидкость над ним становится прозрачной, что указывает на почти полное связывание воды. Для перегонки бромистого изопропила используют ту же установку, в которой проводили синтез. Колбу, дефлегматор и приемник 57 перед перегонкой высушивают. Приемник взвешивают. Отделяют бромистый изопропил от твердого осадка СаCl2 декантацией (сливанием через край) в перегонную колбу. Медленно перегоняют бромистый изопропил, отбирая фракцию с температурой кипения до 60 С. Снова взвешивают приемник и по разности весов определяют массу полученного продукта. Измеряют его показатель преломления. Для чистого бромистого изопропила nD20 = 1,4251, Ткип = 59 С. Выход – 80 %. Примечания: 1. Если использовать не свежеперегнанный изопропиловый спирт, то в ряде случаев реакционная смесь при нагревании начинает сильно пениться. Изопропиловый спирт можно перегнать, используя установку, предназначенную для синтеза (рис. 10), только перегонную колбу следует нагревать не на сетке, а на водяной бане. Для перегонки следует взять 25 мл спирта. Первые 2 мл погона собирают в отдельный сосуд. Фракцию, перегоняющуюся при 80 – 81 C, далее используют для проведения реакции. В перегонной колбе должно остаться 1 – 2 мл жидкости. Остаток соединяют с первой фракцией и сливают в специально предназначенный для этой цели сосуд. Если эту же колбу, из которой перегоняли спирт, предполагается использовать в качестве реакционного сосуда, то после проведения перегонки ее следует ополоснуть водой. Следует иметь в виду и учитывать при расчетах то обстоятельство, что обычный изопропиловый спирт представляет собой азеотропную (т.е. нераздельнокипящую) смесь 2-пропанола (88,0 %) и воды (12 %). Температура кипения этого азеотропа (80,4 C) ниже, чем чистого 2-пропанола (82 С). 2. Полученный продукт содержит некоторое количество диизопропилового эфира (Ткип 68 С, nD20 1,368). Его можно удалить путем обработки органического слоя, тщательно отделенного от воды, концентрированной серной кислотой. Для этого органический слой переливают снова в делительную воронку, добавляют 5 мл концентрированной серной кислоты и встряхивают содержимое воронки (не переворачивая ее и убедившись заранее, что кран воронки при встряхивании не вылетит). Диизопропиловый эфир при этом переходит в сернокислотный слой, который отделяют, а оставшийся в делительной воронке бромистый изопропил промывают водой. Продукт тщательно отделяют от воды, высушивают безводным хлористым кальцием и перегоняют. 58 Определение показателя преломления Показатель преломления – одна из характерных констант жидкого вещества. Таблица значений показателей преломления важнейших органических соединений приведена, например, в “Справочнике химика”, т. IV, 2-е изд. (1965 г.), с. 821 – 894. При обозначении величины показателя преломления указывают индексами температуру и длину волны: nD20 означает, что показатель преломления измерен при 20 С и для спектральной линии D желтого натриевого пламени. Показатель преломления определяют с помощью рефрактометра. Во время измерения следует поддерживать постоянную температуру, чаще всего 20 С. С ростом температуры величина показателя преломления падает. Для жидких органических веществ показатель преломления колеблется от 1,3 до 1,8. Обычно на лабораторном рефрактометре показатель преломления определяют с точностью до четвертого знака после запятой. Работа с рефрактометром Внешний вид рефрактометра и расположение его основных частей показаны на рис. 11. Открывают рефрактометрический блок и осторожно протирают ватой, смоченной эфиром, плоскости призм для удаления с них посторонних примесей. Затем на поверхность измерительной призмы пипеткой осторожно, не касаясь призмы, наносят две – три капли жидкости. Опускают измерительную призму и прижимают ее крючком 11. Измерения прозрачных жидкостей проводят в проходящем свете, для чего открывают заслонку 4 осветительной призмы. Заслонка 10 в этом случае должна быть закрыта. Зеркалом 5 добиваются хорошего освещения шкалы, а окуляр 6 фокусируют так, чтобы четко были видны деления шкалы и перекрестие (рис. 10). Вращая маховик 8 и наблюдая в окуляр 6, находят границу раздела света и тени. Если контуры границы размыты и окрашены, тогда поворотом маховика 7 устраняют окрашенность границы. Затем поворотом маховика 8 точно совмещают границу раздела света и тени с перекрестием и снимают отсчет по шкале показателей преломления с точностью до четвертого знака после запятой. 59 Рис. 11. Рефрактометр ИРФ-454: А – вид шкалы и перекрестья, Б – вид прибора слева, В – вид справа. 1 – корпус рефрактометра, 2 – корпус измерительной призмы, 3 – корпус осветительной (верхней) призмы, 4 – заслонки осветительной призмы, 5 – зеркало для подсветки шкалы, 6 – окуляр, 7 – маховик для устранения цветной каймы, 8 – маховик для совмещения границы светотени с перекрестием, 9 – термометр, 10 – заслонка с зеркалом для освещения при работе с мутными образцами (в случае прозрачных жидкостей закрыта), 11 – крючок для закрепления прижатых призм, 12 – штуцеры для подвода и отвода термостатированной воды Пояснения к синтезу Реакция образования бромистого изопропила при взаимодействии изопропилового спирта с НВr проходит по механизму нуклеофильного замещения, катализируемого кислотами. Бромистый водород образуется в результате реакции: KBr + H2SO4 = HBr + KHSO4 Чтобы образующийся бромистый водород как можно меньше улетал, в реакционную смесь добавляют воду, а саму реакционную смесь перед внесением в нее бромистого калия охлаждают. Роль серной кислоты состоит также в протонировании изопропилового спирта: 60 CH3 CH3 CH OH + H2S O4 быстро CH3 CH OH2 + HS O4 CH3 (1) изопропилоксоний-катион Изопропилоксоний-катион, будучи вторичным оксониевым ионом, может реагировать с нуклеофилом Вr по двум маршрутам: по механизму SN2: CH3 CH OH2 + Br CH3 - Br CH3 C =/ + CH3 HO CH + H2O OH2 (2) CH3 H CH3 или по SN1: CH3 CH CH3 медленно CH3 C CH3 + H O 2 H (3) OH2 CH3 C CH3 + Br H быстро CH3 CH CH3 (4) Br Наряду с бромид-анионом в качестве нуклеофила может выступать и гидросульфат-анион НSO4-: CH3 CH CH3 + HS O4 OH2 CH3 CH CH3 + H2O (5) OS O 3H изопропилсульфат Изопропилсульфат, реагируя с бромид-анионом, также дает бромистый изопропил, а при высокой температуре (> 170 С) способна к внутримолекулярному отщеплению Н2SО4 с образованием пропилена. Образующийся бромистый изопропил отгоняется из реакционной смеси. Вместе с бромпроизводным частично улетает и изопропиловый спирт, некоторое количество которого присутствует в реакционной смеси в свободном виде, так как равновесие (1) не полностью сдвинуто вправо. В связи с этим установка снабжается дефлегматором, 61 который позволяет частично отделить более высококипящий спирт от бромистого изопропила и вернуть его в зону реакции. Взаимодействие изопропилсерной кислоты со спиртом приводит к образованию небольших количеств простого диизопропилового эфира: CH3 CH CH3 + CH3 CH CH3 OSO 3H OH CH3 CH O CH CH3 + H2O (6) CH3 CH3 диизопропиловый эфир который может быть отделен от бромистого изопропила при обработке продукта концентрированной серной кислотой: HOS O 3H CH3 CH O CH CH3 + H2SO4 CH3 CH3 CH3 CH O CH CH3 CH3 (7) CH3 Продукт кислотно-основного взаимодействия простого эфира и H2SO4 в отличие от галогенпроизводного хорошо растворим в концентрированной серной кислоте (см. примечание 2). Контрольные вопросы 1. Зачем в реакционную смесь перед началом синтеза добавляют воду, хотя она не входит в уравнение основной реакции? Почему перед внесением бромида калия реакционную смесь необходимо как можно сильнее охладить? 2. Какую роль в синтезе выполняет серная кислота? 3. Зачем установка для синтеза бромистого изопропила снабжается дефлегматором? Почему продукт реакции рекомендуется собирать под слоем воды? 4. Напишите уравнения реакций, в которые может вступать изопропилсульфат в различных условиях. Каковы механизмы этих реакций? 5. Сравните между собой данные для изопропилового спирта и бромистого изопропила: а) температуры кипения, б) растворимости в воде. Какие особенности строения этих веществ объясняют наблюдаемые различия? 6. В результате каких операций и каких реакций происходит очистка “сырого” бромистого изопропила от содержащихся в нем примесей? 7. Сравните по данным из справочника физические свойства 62 бромистого изопропила и бромистого н-пропила. Как практически можно отличить друг от друга эти изомеры? 8. Чем отличаются между собой механизмы SN2 и SN1? Перечислите условия, которые благоприятствуют протеканию реакций замещения по тому или иному механизму. 2.1.3. Ацетанилид (метод А) NH2 NH-CO-CH3 + (CH3CO)2O анилин + CH3COOH ацетанилид В стакан или коническую колбу помещают 10 мл анилина и 30 мл воды. Энергично размешивают содержимое сосуда и при этом быстро вливают в него 11,5 мл уксусного ангидрида. В результате выделения тепла реакции смесь разогревается и постепенно загустевает. Размешивание продолжают до тех пор, пока не прекратится выделение тепла и температура смеси не снизится приблизительно до комнатной. Затем ее дополнительно охлаждают холодной водой и отфильтровывают ацетанилид на воронке Бюхнера. Осадок равномерно распределяют по всей поверхности фильтра, хорошо отжимают и промывают небольшим количеством холодной воды так, чтобы вода медленно фильтровалась через слой уплотненного осадка. После того, как вся промывная вода будет отжата, осадок переносят на чистый лист бумаги, высушивают и определяют температуру плавления ацетанилида. Очистку продукта проводят перекристаллизацией из воды (рис. 12). Неочищенный ацетанилид помещают в стакан А и к нему приливают некоторое количество воды. В данном конкретном синтезе объем первоначально добавляемой воды составляет приблизительно 200 мл. Нагревают содержимое стакана А так, чтобы вода закипела, и наблюдают за полнотой растворения в ней ацетанилида. Если в первоначальном количестве воды все вещество не растворилось (плавают хлопья, на дне видны маслянистые капли, жидкость мутная), то добавляют еще некоторое количество горячей воды. Снова нагревают смесь до кипения и наблюдают за полнотой растворения. Так поступают до тех пор, пока не получится гомогенный, т. е. однородный, кипящий насыщенный раствор ацетанилида. Этот раствор иногда имеет бурый 63 или желтоватый цвет из-за присутствия в нем смол и продуктов окисления. Рис. 12. Установка для “горячего” фильтрования насыщенного водного раствора ацетанилида Для обесцвечивания раствор кипятят с 0,3 - 0,5 г активированного угля. Перед добавлением угля кипящий раствор надо обязательно несколько охладить – отставить горелку на 0,5 – 1 мин, иначе при всыпании угля возможен выброс кипящей смеси. Раствор кипятят с углем в течение 5 мин, следя за тем, чтобы его объем не уменьшался (при выкипании воду следует добавлять). Для того, чтобы отфильтровать активированный уголь от горячего раствора, в стакан Б помещают 15 – 20 мл воды. Сверху стакан прикрывают стеклянной воронкой, в которую вложен складчатый фильтр. Доводят до кипения воду в стакане Б и, прихватив полотенцем горячий стакан А с раствором, осторожно и постепенно выливают кипящий раствор из стакана А на складчатый фильтр. Содержимое стакана Б должно постоянно кипеть. Пары воды обогревают стеклянную воронку и не позволяют ацетанилиду закристаллизоваться раньше времени на фильтре. Раствор в стакане А в ходе фильтрования также поддерживают в кипящем состоянии. Можно применять и другие способы горячего фильтрования. После окончания фильтрования фильтрату дают охладиться. Выпавшие красивые кристаллы чистого ацетанилида отфильтровывают на воронке Бюхнера. Ацетанилид сушат на листе бумаги, помещенном на теплую (меньше 100 С) асбестовую сетку, затем опреде64 ляют температуру плавления очищенного продукта. Выход 90 %. Тпл 114 С. 2.1.4. Ацетанилид (метод Б) NH2 NH-CO-CH3 + CH3COOН + Н2О Собирают под тягой установку, изображенную на рис. 13. В реакционную колбу помещают 10 мл анилина, 13 мл ледяной уксусной кислоты и 0,1 г цинковой пыли (ледяной называют безводную уксусную кислоту). Кипятят смесь на сетке с такой интенсивностью, чтобы термометр показывал температуру 105 ± 5 С. Нагревание продолжают в течение 2 часов. За это время улетает большая часть воды, образовавшейся в результате реакции, вместе с некоторым количеством уксусной кислоты. Выливают содержимое колбы в горячем состоянии тонкой струей в стакан, содержащий 250 мл воды. Смесь хорошо размешивают и охлаждают в холодной воде, а еще лучше в смеси воды со льдом или снегом. Неочищенный ацетанилид перено- Рис. 13. Установка для посят на воронку Бюхнера, хорошо отжи- лучения ацетанилида мают на фильтре с отсасыванием и промывают осадок холодной водой. Влажный ацетанилид переносят в стакан и постепенно приливают приблизительно 350 мл кипящей воды. Весь ацетанилид должен раствориться. Если раствор окрашен, к нему осторожно добавляют 1,5 – 2 г активированного угля, кипятят 5 мин, а затем фильтруют от угля в горячем виде, как это описано в работе “Ацетанилид (метод А)”. Дают фильтрату охладиться, после чего фильтруют и хорошо отжимают очищенный ацетанилид на воронке Бюхнера. Осадок высушивают при температуре не выше 100 С и определяют температуру плавления ацетанилида. Выход 90 %. Тпл 114 С. 65 Пояснения к синтезу Часть молекулы кислородсодержащей кислоты без гидроксильной группы называется кислотным остатком или ацилом. Названия и формулы некоторых кислот и ацилов приведены в таблице. Кислота Муравьиная Ацил O Формил H C O H C OH Уксусная Пропионовая Бензойная O CH3 Ацетил C OH O CH3CH2 C Пропионил OH O C Бензоил O CH3 C O CH3CH2 C O C OH Замещение атомов водорода в молекулах органических соединений на ацилы называется ацилированием. Таким образом, взаимодействие анилина с уксусным ангидридом (метод А) или с уксусной кислотой (метод Б) можно рассматривать как процесс замещения атома водорода в аминогруппе на ацетил, т. е. это ацилирование (конкретно – ацетилирование) анилина. Уксусный ангидрид, как и ангидриды других кислот, хорошее ацилирующее средство и используется наиболее часто. Кроме ангидридов для ацилирования аминов иногда применяются более дорогостоящие хлорангидриды (RCOCl) и значительно реже сами карбоновые кислоты. Карбоновые кислоты – слабые ацилирующие средства, поэтому их применение требует более жестких условий проведения реакций (сравнительно высокая температура, отгонка воды). Ароматические амины, как правило, ацилируют для того, чтобы снизить активирующее действие аминогруппы на бензольное кольцо. Тем самым предотвращают процессы окисления и осмоления аминов в таких реакциях, как нитрование, сульфохлорирование, окисление других групп, содержащихся в молекулах аминов. Этот прием носит название “защита аминогруппы”. Ацилирование дает возможность 66 получать моногалогенпроизводные ароматических аминов, тогда как действие галогенов (Сl2, Вr2, I2) на “незащищенные” амины приводит к полигалогензамещенным. Так, при действии брома на анилин вместо монобромзамещенного образуется 2,4,6-триброманилин. После проведения соответствующих реакций (нитрования, галогенирования, сульфохлорирования и т. д.) ацетильную группу можно удалить, т. е. заменить снова на водород в процессе гидролиза. Ацетанилид – это замещенный амид уксусной кислоты (фенилацетамид) и, как все функциональные производные карбоновых кислот, он способен подвергаться гидролизу в кислой или щелочной среде: NHCOCH3 + NaOH H2O NHCOCH3 + H2O + HCl NH2 + CH3COONa NH3Cl + CH3COOH Ацилирование аминов можно рассматривать как нуклеофильное замещение у карбонильного атома углерода в молекуле уксусного ангидрида. Амин, в данном случае анилин, выступает в качестве нуклеофильного реагента, а ацетат-анион СН3СОО- – в качестве уходящей группы. OH NH C CH3 O C CH3 O NH2 + O + C CH3 O C CH3 O уходящая группа NHCOCH3 + CH3COOH Уксусный ангидрид легко разлагается под действием воды: СH3CO-O-COCH3 + H2O 2 CH3COOH. Несмотря на это, реакцию между уксусным ангидридом и анилином проводят в водной среде. Здесь используется свойство анилина и уксусного ангидрида сравнительно плохо растворяться в воде, но хорошо 67 растворяться друг в друге. В результате этого реакция уксусного ангидрида с анилином проходит быстрее, чем реакция ангидрида с водой. Растворению ангидрида в анилине, а значит и реакции между ними, способствует перевод анилина в состояние водной эмульсии путем энергичного размешивания смеси. Обычно первичные амины ацетилируют с помощью уксусного ангидрида (см. метод А данного синтеза). Однако ацетанилид можно получать и из более дешевого реагента – из уксусной кислоты. Реакция анилина c уксусной кислотой обратима, поэтому образующуюся в ходе синтеза воду отгоняют. Вместе с ней из реакционной смеси улетает и некоторое количество уксусной кислоты. Чтобы при отгонке соотношение вода:уксусная кислота сохранялось в пользу воды, нагрев реакционной смеси тщательно регулируют так, чтобы температура паров на выходе из дефлегматора составляла 105 5 C. Это достигается уменьшением или увеличением количества газа, поступающего в горелку, либо отставляя в сторону горелку при увеличении температуры. Для синтеза требуется практически безводная уксусная кислота, которая называется “ледяной”, так как при температуре ниже 16 С она замерзает и становится похожей на лед (Тпл 100 % уксусной кислоты 16,6 С). При высокой температуре, при которой проходит реакция, анилин может окисляться. Для предотвращения этого побочного процесса в реакционную смесь добавляют небольшое количество цинковой пыли. Цинк в слабокислой среде восстанавливает начальные продукты окисления анилина до исходного амина. Контрольные вопросы 1. Какие реакции называются реакциями ацилирования? Укажите наиболее часто употребляемые ацилы и ацилирующие агенты. 2. С какой целью проводят ацилирование аминов? 3. Объясните, почему группа -NНСОСН3 является более слабым электронодонором, чем группа -NН2? 4. Почему при получении п-броманилина бромируют ацетанилид, а не анилин? Напишите уравнения реакций, по которым получают n-броманилин из ацетанилида. 5. Какое соединение является более сильным основанием: анилин или ацетанилид? Дайте объяснение с использованием электронных представлений. 6. Известно, что ангидриды кислот при растворении их в воде легко разлагаются с образованием кислот. Почему же реакцию полу68 чения ацетанилида по методу А проводят в водной среде? Как объяснить значительно меньшую растворимость в воде уксусного ангидрида по сравнению с уксусной кислотой? 7. Почему при получении ацетанилида по методу Б уксусная кислота берется с большим избытком по отношению к анилину? 8. Из каких веществ состоит реакционная смесь в конце реакции? Для удаления какой примеси осадок ацетанилида промывают водой на воронке Бюхнера при первом фильтровании? Почему для промывания рекомендуется применять холодную воду? 9. Какие правила техники безопасности должны выполняться при проведении синтеза ацетанилида? 2.1.5. Ацетилсалициловая кислота (аспирин) OH + (CH3CO)2O COOH H2S O4 CH3 OC O + CH3COOH COOH В небольшую коническую колбу помещают 2 г предварительно высушенной при 100 С салициловой кислоты и 2,8 мл уксусного ангидрида. Добавляют 2 – 3 капли концентрированной серной кислоты и хорошо перемешивают содержимое колбы. Не прекращая размешивания, нагревают смесь на водяной бане при 60 С в течение 15 мин, а затем дают ей охладиться до комнатной температуры. Добавляют в колбу 30 мл воды, хорошо перемешивают и отфильтровывают осадок на воронке Бюхнера. Неочищенную ацетилсалициловую кислоту перекристаллизовывают из смеси равных объемов уксусной кислоты и воды, отфильтровывают, промывают на фильтре ледяной водой и затем толуолом. Полученный таким образом аспирин сушат при 40 – 60 С до исчезновения запаха уксусной кислоты. Выход 95 %. Тпл 144 С Пояснения к синтезу Ацилированию, т.е. замещению подвижных атомов водорода на остатки кислот – ацилы – могут подвергаться амины, фенолы, спирты и другие соединения. При синтезе аспирина водород фенольного гидроксила в салициловой кислоте замещается на остаток уксусной кислоты – ацетил (СН3СО-). Механизм реакции может быть представлен следующим образом: 69 O CH3 C + CH3 C H O O CH3 C CH3 C O O уксусный ангидрид OH + COOH OH I: протонированый уксусный ангидрид OH CH3 C + медленно O CH3 C O H II OH O O C O C CH3 CH3 COOH уходящая группа O CO CH3 COOH + CH3COOH + H быстро Это пример нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода в уксусном ангидриде. Из-за электроноакцепторного влияния орто-карбоксильной группы в салициловой кислоте основные (и нуклеофильные) свойства фенольного гидроксила ослаблены. Это вызывает необходимость добавлять в смесь кислотный катализатор (конц. Н2SО4). Сам фенол ацилируется уксусным ангидридом в отсутствии кислоты. Протонирование карбонильного кислорода приводит к катиону I, в котором электрофильность углерода сильно повышена. Это облегчает нуклеофильную атаку и образование промежуточного соединения II, в котором карбонильный углерод переходит из sр2- в sр3состояние. При перекристаллизации продукта из разбавленной уксусной кислоты не следует кипятить раствор дольше, чем требуется для растворения ацетилсалициловой кислоты во избежание ее гидролитического разложения. Перекристаллизованный продукт отфильтровывают и осадок промывают сначала небольшим количеством ледяной воды, а затем холодным толуолом. Чистая ацетилсалициловая кислота имеет температуру плавления 144 С. Однако при нагревании она разлагается, поэтому ее истинную температуру плавления определить трудно. Обычно получается препарат, плавящийся в интервале 129 – 133 С. 70 Контрольные вопросы 1. Почему при взаимодействии салициловой кислоты и уксусного ангидрида в качестве нуклеофильного центра выступает кислород фенольной, а не карбоксильной группы ОН? 2. Почему салициловая кислота ацилируется труднее фенола? 3. Объясните, почему серная кислота ускоряет реакцию ацилирования салициловой кислоты? 4. Напишите реакцию гидролиза аспирина. Как эта реакция может влиять на результат определения температуры плавления полученного препарата? Что следует предпринять для того, чтобы температура плавления препарата была как можно ближе к истинной температуре плавления ацетилсалициловой кислоты (135 С)? 5. Напишите схему механизма гидролиза ацетилсалициловой кислоты, проходящего в кислой среде. Будет ли аспирин гидролизоваться в щелочной среде? 6. С помощью какой цветной реакции можно обнаружить примесь салициловой кислоты в долго хранившемся аспирине? Для ответа на этот вопрос необходимо прочитать в учебнике о цветных реакциях фенолов [1]. 7. Какие предосторожности нужно соблюдать при синтезе ацетилсалициловой кислоты? 2.1.6. н-Бутилацетат CH3COOH + n-C4H9OH H2S O4 O CH3 C + H2O O C4H9 В круглодонную колбу емкостью 100 мл, снабженную ловушкой для отделения воды и обратным холодильником (рис. 14), помещают 10 мл ледяной уксусной кислоты, 12 мл н-бутилового спирта, 5 капель конц. серной кислоты и несколько небольших осколков фарфора, которые будут служить в качестве “кипелок”. Нагревают колбу на песчаной бане. Жидкость должна кипеть достаточно интенсивно, однако, обратный холодильник не должен “захлебываться”. Вода, образующаяся по реакции, улетает из реакционной колбы вместе с парами спирта и сложного эфира. Смесь паров конденсируется в обратном холодильнике, конденсат попадает из него в ловушку и в ней расслаивается. Верхний органический слой, в котором содержатся образовавшийся сложный эфир и бутиловый спирт, возвращается (перетекает) в колбу, а нижний слой воды постепенной увеличивается. 71 После того, как количество воды в ловушке перестанет увеличиваться, колбе дают охладиться и реакционную смесь вместе с содержимым ловушки переносят в делительную воронку. Нижний слой отделяют, а верхний промывают вначале водой, затем 5 % раствором соды и вновь водой. Сложные эфиры при энергичном встряхивании с промывными жидкостями дают стойкие эмульсии; во избежание этого делительную воронку целесообразно не встряхивать, а совершать ею движение, подобное “восьмерке”. Отмытый бутилацетат обезвоживают прокаленным сульфатом натрия не менее 6 час, затем подвергают дробной перегонке, собирая фракцию 124 – 126 С. Выход 80 %. Ткип 126 С По этой методике могут быть получены: из изобутилового спирта – изобутилацетат, Ткип 118 С, из изоамилового спирта – изоамилацетат, Ткип 142 С. Рис. 14. Установка для проведения реакций с азеотропной отгонкой воды: 1 – реакционная колба, 2 – ловушка для отделения воды, 3 – обратный холодильник, 4 – воздушная или песчаная баня Пояснения к синтезу Реакция этерификации – обратимый процесс, поэтому для того, чтобы добиться более полного превращения карбоновой кислоты в сложный эфир, из реакционной смеси удаляют образующуюся воду. Для этого используют способность воды отгоняться из реакционной массы в виде азеотропной смеси со спиртом и сложным эфиром. Азеотропная смесь веществ кипит и перегоняется как одно индивидуальное соединение с определенной температурой кипения; ее невозможно разделить путем перегонки. Примером азеотропной смеси является 96 % этиловый спирт. Этот азеотроп имеет температуру кипения 78,17 С в отличие от Ткип чистого этанола 78,3 С. Для получения 100 % (“абсолютного”) этилового спирта приходится применять специальные методы: химически связывать воду с помощью безводных 72 солей (СuSО4), оксида кальция, металлического магния. Можно также отгонять воду в виде тройного азеотропа бензол-этанол-вода, добавляя к 96 % этанолу бензол с последующей перегонкой. Азеотропные смеси могут иметь меньшие или большие температуры кипения по сравнению с Ткип составляющих их компонентов. Для отделения воды используют смеси с минимальными температурами кипения. Не всякая пара летучих веществ образует азеотропную смесь. Например, уксусная кислота не образует азеотропа с водой. В тех случаях, когда ни реагенты, ни продукт реакции не образует азеотропных смесей с водой или когда в азеотропе соотношение водаорганическое соединение слишком мало (как, например, в случае этилового спирта), в реакционную массу добавляют растворитель, способный образовывать азеотропную смесь с водой. Так, при получении по вышеописанной методике этил- или пропилацетата в колбу вносят 35 – 40 мл хлороформа или четыреххлористого углерода. Азеотропная смесь вода-бутиловый спирт перегоняется при 92,7 С (сравните с температурами кипения н-бутанола, воды и уксусной кислоты). Она содержит 42,5 % Н2О и 57,5 % спирта. Азеотроп вода-нбутилацетат, содержащий 28,7 % Н2О и 71,3 % сложного эфира, кипит при 90,2 С. В присутствии всех трех компонентов перегоняется и тройная азеотропная смесь вода-бутанол-бутилацетат. 2.2. ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКОМ РЯДУ 2.2.1. Основные теоретические положения Атомы водорода в бензольных кольцах ароматических соединений способны замещаться на галогены (-Сl, -Вr), остатки неорганических (-NО2, -SО3H) и органических (R-CO-) кислот, алкильные группы (-СН3, -СН2СН3, -СН(СН3)2 и др.). Характерной чертой этих реакций является участие в них электрофильных реагентов – частиц нуждающихся в электронах, часто положительно заряженных. Поэтому такой тип реакций называется электрофильным замещением и обозначается SE. Некоторые реакции электрофильного замещения бензола: 73 1) Cl FeCl3 + Cl2 хлорирование + HCl хлорбензол NO 2 + H2O H2S O4(конц.) + HNO3 (конц.) 2) o 60 C нитрование нитробензол 3) + H2S O4 конц. S O 3H + H2O нагрев. сульфирование бензолсульфокислота 4) 5) O + CH3 C Cl 6) S O 3H + S O3 в растворителе или в смеси с инертным газом + CH3CH2Cl избыток O C AlCl3 (безводный) CH3 + HCl метилфенилкетон (ацетофенон) AlCl3 CH2CH3 (безводный) этилбензол + HCl Ацилирование по методу ФриделяКрафтса алкилирование по методу Фриделя-Крафтса Все реакции электрофильного замещения проходят по одной общей схеме: R R + E E + H 74 где Е+– электрофил, т.е. частица, "любящая электроны", R – заместитель в бензольном кольце, положение которого (орто-, мета- или пара) в этих формулах не указано. Электрофилы образуются в результате кислотно-основных взаимодействий, как правило, в растворителях, способных сильно сольватировать ионы. Следовательно, в реакционных смесях SE-процессов обязательно должны присутствовать сильные протонные или апротонные кислоты: Н2SО4 (конц.), НNО3 (конц.), AlCl3 (безв.), FeCl3, BF3, SO3 и т.п. В в реакциях (1 – 6) в качестве электрофилов выступают соответственно Cl+, NO2+, HSO3+, SO3, CH3CO+ и CH3CH2+. Примером образования электрофила NO2+ – нитроний-катиона – является реакция: + HNO3 + 2 H2SO4 + - NO2 + H3O + 2 HSO4 Доказано, что переходные состояния всех реакций электрофильного замещения бензола и его производных образуются в результате столкновения двух частиц, содержат как молекулу ароматического соединения, так и электрофил. Бимолекулярность реакции обозначают цифрой 2: SE2. Известно также, что в переходном состоянии SE2-процесса еще сохраняется ковалентная связь между углеродным атомом бензольного кольца и уходящим атомом водорода. Этим экспериментальным фактам соответствует следующий механизм реакций SE2: 1. Образование электрофила Е+ (см., напр., образование NO2+). 2. Образование -комплекса (“пи-комплекса”): + E быстро E 3. Образование -комплекса (“сигма-комплекса”): 1/3+ E медленно -комплекс 1/3+ H E 1/3+ -комплекс + H E обычное обозначение 4. Отщепление протона: 75 + H E быстро E + H Для большинства реакций SE2 стадия 3, т. е. образование -комплекса, требует наибольшей энергии активации, поэтому она проходит медленнее других стадий. Та из последовательных стадий процесса, которая имеет наибольшую энергию активации, называется лимитирующей стадией. Образование -комплекса – лимитирующая стадия процесса SE2. Чем легче образуется -комплекс, тем быстрее проходит электрофильное замещение у соответствующего атома углерода в бензольном кольце. Переход ароматического соединения в -комплекс требует значительных затрат энергии. Во-первых, -комплекс является карбокатионом, а карбокатионы, как известно, неустойчивы, и во-вторых, при образовании -комплекса разрушается ароматическая -электронная система и теряется энергия ароматической стабилизации. Атом углерода, присоединивший электрофильный реагент, из sp2-переходит в sp3-состояние и образуется не ароматическая разомкнутая π-система. У σ-комплекса 5 атомов углерода остаются в sp2-гибридном состоянии и их pz-орбитали образуют две связывающих, две разрыхляющих и одну несвязывающую орбиталь. Положительный заряд σ-комплекса, главным образом, находится на НСМО, т.е. в о- и п-положениях по отношению к sp3-гибридному атому углерода. -Комплекс по энергии близок к переходному состоянию рис. 15. 76 Рис. 15. Энергетические диаграммы нитрования ароматических соединений: 1 – нитробензола, 2 – бензола, 3 – толуола В соответствии с принципом Хеммонда это означает, что они близки и по структуре). Видно также, что энергетические уровни комплексов и соответствующих переходных состояний меняются симбатно, т.е. рост энергии -комплекса сопровождается увеличением энергии активации реакции. Можно сказать, что энергетический уровень -комплекса предопределяет величину энергии активации реакции ароматического соединения. Из рис. 15 следует, что при нитровании ароматических соединений величины энергии активации последовательно уменьшаются в ряду: нитробензол, бензол, толуол. В соответствии с этим при одинаковых условиях толуол нитруется легче, чем бензол, а бензол – легче, чем нитробензол. От относительной легкости образования соответствующих комплексов зависит и преимущественное образование тех или иных изомеров при замещении в молекулах монозамещенных бензола. В общем виде образование различных изомеров при электрофильном замещении можно представить в виде схемы: 77 A E + H (о-) H A (орто-изомер) (о-) H A + H + E H (м-) H (п-) H (м-) A E (пара-изомер) или Ph-A + H E (мета-изомер) Электронодонорные заместители А (-NH2, -NHCH3, -N(CH3)2, -OH, -OCH3, CH3, другие алкилы и т. д.) стабилизируют орто- и пара-комплексы, поэтому среди продуктов электрофильного замещения в молекулах соответствующих ароматических соединений преобладают орто- и пара- замещенные, а мета-изомеры образуются в небольших количествах (до 5 %). Такие заместители называются орто-, параориентирующими или заместителями первого рода. Электронодонорные заместители облегчают электрофильное замещение в молекуле Рh-А по сравнению с незамещенным бензолом Рh-Н, (см. энергетическую диаграмму). Электроноакцепторные заместители: O N O , O C OH , O C CH3, O и т. д., S O OH наоборот, способствуют энергетической дестабилизации -комплексов, увеличивают Е реакций электрофильного замещения и уменьшают их скорость. Особенно сильное влияние они оказывают на ортои пара-положения Ph-A. В их присутствии энергия активации замещения в мета-места ниже, чем в орто- и в пара-, поэтому они направляют электрофильные частицы Е+ преимущественно в мета-положе78 ние. Такие заместители называются мета-ориентирующими или заместителями второго рода. Особенным образом в качестве заместителей ведут себя галогены. Они, являясь электроноакцепторами, несколько замедляют процессы SE2-типа, но при этом направляют атакующие электрофилы Е + преимущественно в пара- и (в меньшей степени) в орто-положения. Нафталин подвергается электрофильному замещению легче, чем бензол, так как оба возможных -комплекса: - и - образуются легче, чем соответствующий -комплекс бензола: H E 1 __ 1 __ 11 11 + + 1 _ + 4 __ + 11 1 _ + 1 __ 11 + 4 __ 11 8 + --комплекс 1 _ + 2 8 1 _ + 1 _ + 3 H E 1 _ + 8 1 _ + 3 H E 1 _ + 3 8 --комплекс -комплекс бензола Легкость образования -комплекса зависит от степени делокализации в нем положительного заряда. Об эффективности делокализации можно судить по величине суммы зарядов на атомах, соседних с тем, который изменил свое валентное состояние от sр2- до sр3- в результате присоединения к нему электрофила Е +. Чем больше эта сумма, тем меньше делокализован положительный заряд, тем сильнее дестабилизирован -комплекс (его Епот на энергетической диаграмме выше), а значит и меньше реакционная способность ароматического соединения. Можно видеть, что соответствующие суммы равны: у --комплекса 1/11 + 4/11 = 5/11 = 0,454, у --комплекса 1/2 + 1/8 = 5/8 = 0,625, у -комплекса бензола 1/3 + 1/3 = 2/3 = 0,667. Найденные суммы соответствуют уменьшению реакционной способности в ряду: -положение нафталина > -положение нафталина > бензол. Степень делокализации положительного заряда по углеродным атомам колец -комплексов, образующихся из ароматических соединений бензоидного типа, можно оценить, пользуясь методом расчета, предложенным Лонге-Хиггинсом. Этот метод изложен в указании [8] (см. список литературы в конце этого пособия). 2.2.2. Нитротолуолы (смесь изомеров) 79 CH3 CH3 NO 2 o + HNO3 (H2S O4; 60 C) - H2O CH3 NO 2 Приготовление нитрующей смеси. В колбу вносят 18,2 мл концентрированной азотной кислоты плотностью 1,4 г/см (0,27 моль HNO3) и постепенно небольшими порциями при перемешивании приливают 22 мл концентрированной серной кислоты. Полученную смесь охлаждают до комнатной температуры. Получение нитротолуолов. В трехгорлую колбу (2) (рис. 16), снабженную обратным воздушным холодильником (4) и термометром (5), помещают 27 мл толуола. В самом начале нитрования водяная баня (1), изображенная на рис. 16, не используется. Открыв пробку, приливают в колбу через горло (3) около 5 мл нитрующей смеси. Плотно закрывают пробку и вручную энергично встряхивают содержимое колбы, однако так, чтобы реакционная масса как можно меньше попадала изнутри на резиновые пробки. Повторяют несколько раз операцию добавления нитрующей смеси и энергичного встряхивания, постоянно наблюдая за показаниями термометра. Если термометр показывает температуру выше 60 С, то колбу охлаждают до этой температуры (но не ниже) в бане с водой. После прибавления всей нитрующей смеси колбу нагревают при 60 С в течение 30 мин, периодически встряхивая. Определяют конец реакции по пробе реакционной смеси: капля органического слоя должна тонуть в воде. Реакционную смесь переносят в делительную воронку. Дают жидкостям расслоиться и отделяют нижний слой отработанных кислот. Затем органический слой промывают последовательно водой, разбавленным (~10 %) раствором соды и снова водой. После последней промывки и отстаивания нижний слой сливают в сухую колбу, как можно тщательнее отделяя его от воды. К органической жидкости прибавляют прокаленный хлористый кальций в таком количестве, чтобы он смог поглотить всю прошедшую Если в лаборатории используется концентрированная азотная кислота с плотностью, отличающейся от 1,4 г/мл, то необходимый объем этого реагента рассчитывают так, чтобы в нем содержалось 0,27 моль HNO3. 80 вместе с органическим слоем воду, но при этом оставался твердым. Для ускорения обезвоживания смесь нитротолуолов с хлористым кальцием полезно погреть на бане при встряхивании. Обезвоживание жидкости продолжают до тех пор, пока она станет прозрачной. Собирают установку для простой перегонки с водяным холодильником и термометром до 250 С (рис. 17). Фильтруют жидкость от хлористого кальция через складчатый фильтр в перегонную колбу. Рис. 16. Схема установки Нагревая колбу на сетке, начинают для нитрования толуола: разгонку жидкостей. До температуры па1 – баня, 2 – реакционная ров 150 С через рубашку холодильника колба, 3 – горло, через копропускают слабый ток воды, после доторое прибавляется нитрустижения 150 С воду можно выключить. ющая смесь, 4 – воздушВначале собирают фракцию, перегоняюный обратный холодильник, 5 – термометр щуюся до 200 С. Она состоит главным образом из непрореагировавшего толуола. Отогнанный толуол сливают в склянку для отходов растворителей. После отгонки толуола в качестве приемника для второй основной фракции подставляют сухую взвешенную колбу. Температура паров быстро поднимается от 200 до 220 С, при которой обычно начинает отгоняться основная масса смеси изомерных нитротолуолов. По мере перегонки температура кипения по степенно повышается. Перегонку ведут до температуры паров 237 С. Нельзя отгонять жидкость из колбы досуха. После окончания перегонки приемник с нитротолуолами взвешивают. Выход 75 %. 81 Рис. 17. Установка для простой перегонки: 1 – колба Вюрца, 2 – термометр, 3 – прямой водяной холодильник, 4 – алонж, 5 – приемник Хроматографическое определение изомерного состава нитротолуолов Для определения изомерного состава продуктов нитрования толуола используют метод газо-жидкостной хроматографии. Смесь нитротолуолов, полученную в результате перегонки, растворяют в четыреххлористом углероде. Небольшую пробу раствора (до 1 микролитра, 1 микролитр = 0,001 мл) с помощью микрошприца вводят в испаритель хроматографа, откуда она с током газа-носителя (гелия) попадает в колонку прибора, где происходит разделение смеси на составляющие ее компоненты. Результат разделения автоматически записывается на хроматограмме, вид которой изображен на рис. 18. Площадь на хроматограмме, ограниченная кривой пика, соответствующего определенному изомеру (Sx), при прочих равных условиях пропорциональна его содержанию сx в пробе: Sx = fx сx. Коэффициент про порциональности fx в общем случае зависит от природы вещества, но для изомеров он одинаков. Исходя из этого, можно рассчи- 82 Рис. 18. Хроматограмма смеси изомерных нитротолуолов, содержащей следы непрореагировавшего толуола: а) расположение пиков компонентов на диаграммной бумаге, б) та же хроматограмма, представленная в виде зависимости величины электрического сигнала от времени прохождения пробы по колонке тать процентное содержание, например о-изомера в смеси по формуле: рорто = 100·Sорто/(Sорто + Sмета + Sпара). Здесь Sорто, Sмета и Sпара – площади пиков на хроматограмме, соответствующих орто-, мета- и пара-нитротолуолам. На рис. 19 иллюстрирует простой способ определения площади хроматографического пика (S) путем измерения его высоты (h) и полуширины (b – ширина пика на половине его высоты: S = b·h Рис. 19. Определение площади хроматографического пика Пояснения к синтезу Реакция нитрования ароматических углеводородов происходит на границе раздела между двумя несмешивающимися жидкостями (углеводород – нитрующая смесь). Поэтому при проведении синтеза требуется энергичное перемешивание. Нитрование – экзотермическая реакция, сопровождающаяся выделением большого количества тепла (Н = -120 кДж/моль). Повышение температуры ускоряет такие неже83 лательные процессы, как образование полинитросоединений и окисление органических веществ азотной кислотой. Для поддержания оптимальной температуры вначале реакционную смесь необходимо эффективно охлаждать. По мере расходования реагентов и снижения их концентраций скорость нитрования уменьшается, а следовательно, уменьшается и количество тепла, выделяющееся в единицу времени. В этом случае теплоты реакции уже становится недостаточно для поддержания оптимальной температуры, поэтому для завершения реакции смесь приходится нагревать. Плотность нитротолуолов больше единицы, а толуола – меньше единицы. Смесь, в которой преобладают нитротолуолы, имеет плотность больше единицы, поэтому, чтобы убедиться в степени завершенности реакции нитрования, необходимо извлечь из колбы каплю органического слоя и поместить ее в пробирку с водой. Если капля тонет в воде, она состоит в основном из нитротолуолов. В противном случае нагревание реакционной смеси следует продолжать. Этот способ определения конца реакции очень приблизителен. Более совершенным методом является определение в органическом слое относительного содержания толуола и нитротолуолов с помощью газо-жидкостной хроматографии. Плотность смеси нитротолуолов ниже плотности отработанной нитрующей смеси, т.е. смеси азотной и серной кислот в конце реакции, поэтому при разделении в делительной воронке органический слой располагается над кислотным. При последующих промывках водой и водным раствором соды слой, содержащий нитросоединения, находится внизу. Побочными продуктами в реакции нитрования кроме динитросоединений являются полинитрофенолы. Гидроксигруппа у бензольного кольца образуется в результате нуклеофильного замещения водорода в 5 положении 2,4-динитротолуола на группу -О-NО2 и последующего гидролиза соответствующего эфира азотной кислоты. Образовавшийся фенол тут же нитруется с образованием тринитропроизводного. При нитровании толуола побочным продуктом является тринитро-м-крезол (1-гидрокси-3-метил-2,4,6-тринитробензол). Присутствие полинитрофенолов обнаруживается при промывке органического слоя раствором соды. В щелочной среде слабо-желтая окраска раствора полинитрофенолов усиливается, переходя в оранжевую, в результате образования нитрофенолятов. Интенсивный краснооранжевый цвет содового раствора при промывке нитротолуолов в делительной воронке свидетельствует о большом содержании тринит84 ро-м-крезола в реакционной смеси, что бывает при ее перегреве. Промывка продукта водным раствором соды служит, таким образом, для удаления из него примесей как неорганических кислот, так и тринитро-м-крезола. Компоненты органического слоя: непрореагировавший толуол, смесь изомерных нитротолуолов и динитротолуолы разделяют путем простой перегонки. В данном случае это возможно, так как они имеют сильно различающиеся температуры кипения (60 – 100 С). Однако следует иметь в виду, что даже в этой благоприятной ситуации достичь полного разделения компонентов невозможно. Хроматограмма смеси нитротолуолов, выделенных с помощью перегонки, показывает, что в ней присутствует некоторое количество толуола (Ткип 111 С), хотя фракция нитротолуолов была отобрана в интервале 220 – 238 С. Из сказанного ясно, что с помощью простой перегонки разделить изомерные нитротолуолы, разность температур кипения которых составляет 18 С, невозможно. Для разделения смесей веществ, имеющих близкие температуры кипения, применяются ректификационные колонки. Контрольные вопросы 1. Почему при проведении нитрования ароматических углеводородов необходимо энергичное перемешивание реакционной смеси? 2. Какова роль серной кислоты в нитрующей смеси? 3. Почему при нитровании толуола преимущественно образуются орто- и пара-нитротолуолы, а мета-изомера образуется мало? Дайте объяснение с точки зрения легкости образования соответствующих -комплексов. 4. Как можно определить конец реакции нитрования? 5. Какой состав имеет реакционная смесь в конце реакции? Какие побочные продукты образуются при нитровании толуола до мононитросоединения? 6. Как будет зависеть относительное количество 2,4-динитротолуола в реакционной смеси от таких факторов, как: а) порядок смешения реагентов (I – нитрующую смесь медленно приливают к толуолу; II – толуол медленно приливают к нитрующей смеси)? б) температура реакционной смеси? в) интенсивность перемешивания? 7. Почему в 2,4-динитротолуоле нуклеофильному замещению на группу -О-NО2 подвергается водород преимущественно в положении 5? 85 8. При нитровании толуола при 60 С тринитротолуол практически не образуется, однако в смеси всегда присутствует небольшое количество тринитро-м-крезола. Как это можно объяснить? 9. Как выделяют нитротолуолы из их смеси с другими органическими соединениями, присутствующими в реакционной массе? 10. Используя данные о свойствах изомерных нитротолуолов, предложите способ выделения п-нитротолуола из их смеси. 11. Какие меры безопасности необходимо соблюдать в процессе получения нитротолуолов? 2.2.3. м-Динитробензол NO 2 NO 2 o + NaNO3 + H2S O4 130 C + NaHS O4 + H2O NO 2 В вытяжном шкафу собирают установку, состоящую из колбы на 100 мл (желательно с широким горлом) и термометра, укрепленного таким образом, чтобы его шарик был приближен ко дну колбы, но не касался его (рис. 20). Должна быть предусмотрена возможность нагревания колбы на сетке. Смешивают в колбе 8,3 мл нитробензола с 25 мл концентрированной серной кислоты (d = 1,84 г/см3) и нагревают до 80 – 90 С. Горелку выключают и небольшими порциями прибавляют 12,5 г тонко растертого нитрата натрия, следя за тем, чтобы температура не поднималась выше 130 С. Содержимое колбы постоянно перемешивают, покачивая установку вместе со штативом, на котором укреплена колба. Не должно наблюдаться сильного выделения оксидов азота. Образующийся по реакции м-динитробензол всплыРис. 20. Схема установки для синтеза вает в виде маслянистого слоя. м-динитробензола После добавки всего нитрата 86 включают горелку и продолжают нагревание при 130 С еще 30 минут. Затем содержимому колбы дают охладиться до 70 С и при энергичном перемешивании выливают в стакан, в котором находится приблизительно 100 г измельченого льда. м-Динитробензол выделяется в виде желтого осадка. Его отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают на фильтре водой, затем слабым (~10 %) раствором соды и снова водой до нейтральной реакции промывных вод. Хорошо отжимают кристаллы и сушат на воздухе. Полученный продукт взвешивают и определяют его температуру плавления. Для очистки от примесей м-динитробензол перекристаллизовывают из небольшого количества спирта. Для этого неочищенный мдинитробензол помещают в колбу с обратным холодильником и прибавляют к нему 10 мл изопропилового спирта. Далее необходимый объем растворителя подбирают опытным путем, и наблюдая за растворением вещества при кипячении растворителя. Нагревают колбу на водяной бане и при необходимости, если нет полного растворения, прибавляют небольшими порциями изопропиловый спирт через верх холодильника. После полного растворения осадка к прозрачному горячему раствору через верх холодильника прибавляют по каплям воду до помутнения раствора. Добавляют в колбу несколько капель спирта до исчезновения мути и затем горячий однородный раствор, выключив предварительно горелку, переливают в сухой стаканчик. Дают раствору постепенно охладиться при размешивании его стеклянной палочкой. Выпавший м-динитробензол отфильтровывают на воронке Бюхнера, сушат до постоянного веса на воздухе, определяют массу и температуру плавления продукта. Выход 70 %. Тпл 90 С. Пояснения к синтезу Нитробензол из-за электроноакцепторного влияния группы NO2 нитруется в значительно более жестких условиях, чем бензол. Понятие “более жесткие условия” означает, что необходимо брать более концентрированные кислоты и поддерживать более высокую температуру реакции. Меньшее содержание воды приводит к более высокой кислотности реакционной смеси и, следовательно, к большей концентрации нитроний-катиона (NО2+). Для получения м-динитробензола можно использовать “дымящую” азотную кислоту с плотностью 1,5 г/мл (примерно 98 % НNО3). Однако более удобным лабораторным способом синтеза является нитрование нитробензола, растворенного в концентрированной Н2SО4, путем прибавления к нагретому раствору размельченной натриевой или калиевой соли азотной кислоты. Азотная 87 кислота образуется непосредственно в реакционном сосуде по реакции: NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3 Нитрование проходит практически в безводной среде. Серная кислота в данном случае выполняет функции: 1) реагента для образования НNО3 из NаNО3, 2) кислотного катализатора, который способствует образованию NО2+, 3) растворителя. Преимущество такого способа – протекание реакции в гомогенной среде, т.к. и нитробензол, и нитрат натрия растворимы в 95 % Н2SО4, а это обеспечивает большую скорость процесса по сравнению с гетерогенными условиями. Недостаток способа – большой расход серной кислоты. Особое внимание необходимо обращать на соблюдение указанного в прописи температурного режима: при добавлении нитрата натрия температура реакционной смеси ни в коем случае не должна превышать 130 C. При повышенной температуре усиливается окислительное действие азотной кислоты, в результате чего образуются полинитрофенолы и продукты более глубокого окисления органического вещества (смола). Тринитробензол практически не образуется. Процессам окисления способствует ускоряющаяся при повышенной температуре реакция разложения азотной кислоты на воду, кислород и диоксид азота. Присутствие примеси полинитрофенолов обнаруживается при обработке расплавленного неочищенного м-динитробензола щелочью или содой: в результате образования окрашенных полинитрофенолятов промывная жидкость окрашивается в оранжевый цвет. м-Динитробензол значительно хуже растворим в концентрированной серной кислоте, чем исходный нитробензол, поэтому по мере образования он выделяется в горячей реакционной смеси в виде маслянистого слоя. При охлаждении смеси, а также при выливании ее в размельченный лед м-динитробензол затвердевает. Для отмывания осадка от кислот, захваченных при отверждении, его промывают последовательно водой, раствором соды и вновь водой. Контрольные вопросы 1. Почему синтез динитробензола приходится проводить в более жестких условиях, чем нитробензола? 2. Почему при нитровании нитробензола образуется преимущественно мета-изомер, а орто- и пара-изомеров образуется очень мало? Дайте объяснение с учетом различной легкости образования соответствующих -комплексов. 88 3. Напишите уравнение равновесной реакции образования нитроний-катиона в смеси концентрированных азотной и серной кислот. Почему попадание воды в реакционную смесь, так же как и образование ее в ходе реакции, уменьшают концентрацию NO2? 4. Сравните используемое в синтезе количество серной кислоты с теоретически необходимым по уравнению основной реакции. Почему в описанном синтезе м-динитробензола применяется значительный избыток серной кислоты? 5. Рассчитайте концентрацию серной кислоты в конце реакции. Почему реакционную массу после завершения реакции и охлаждения до 70 С рекомендуется выливать не в воду, а на размельченный лед? 6. Напишите реакцию термического разложения азотной кислоты. Какой нежелательный процесс усиливается при этом? 7. Основной примесью в неочищенном м-динитробензоле является непрореагировавший нитробензол. Найдите в справочнике [2] данные о растворимости этих двух веществ в этиловом спирте и на основании этих данных сделайте вывод об эффективности перекристаллизации из спирта м-динитробензола для его очистки. 8. Какие правила безопасности следует соблюдать при выполнении синтеза м-динитробензола? 2.2.4. Cульфаниловая кислота NH2 NH3 HS O 4 + H2S O 4 180 - 190 С NH2 + H2O S O 3H Работа выполняется под тягой. Для синтеза применяется прибор, используемый при получении м-динитробензола (рис. 20 на стр. 95). В колбу помещают 15 мл свежеперегнанного анилина и к нему небольшими порциями, чтобы смесь не перегревалась, добавляют 27 мл концентрированной серной кислоты (d = 1,84 г/см3). Раствор нагревают на сетке при 180 – 190 C до тех пор, пока проба, растворенная в горячем водном растворе щелочи, не перестанет выделять анилин (масляные капельки). Сульфирование идет 1,5 – 2 часа. Перегревание реакционной смеси выше 190 С ведет к ее обугливанию. По окончании сульфирования охлажденную до 80 – 90 С реак89 ционную массу выливают при размешивании в 200 мл холодной воды. При охлаждении сульфаниловая кислота выпадает в осадок. Кислоту отфильтровывают на воронке Бюхнера, дважды промывают небольшими порциями холодной воды и перекристаллизовывают из воды с добавлением активированного угля. Способ перекристаллизации описан в работе по получению ацетанилида (стр. 64). Выход дигидрата сульфаниловой кислоты п-H2N-C6H4-SO3H.2H2O 15 – 17 граммов. Пояснения к синтезу Реакции электрофильного замещения водорода в кольце ароматических аминов имеют ряд особенностей, обусловленных наличием у атома азота неподеленной электронной пары. С кислотами, которые используются в качестве электрофильных реагентов, амины реагируют, прежде всего, как основания с образованием солей: NH3.X NH2 (1) + HX R R I II X = HS O 4-; Cl -; NO 3- и т.п. Из двух форм свободного амина I и его соли II первая содержит сильный электронодонорный заместитель -NH2, а вторая – сильнейший электроноакцептор группу -NH3+. Электрофильное замещение в солях типа II происходит значительно медленнее, чем в молекулах свободных аминов I. Ориентирующее действие амино- и аммонийной группы также различно: группа NH2 – сильный орто-пара-ориентант, а группа -NH3+ направляет электрофильные частицы в мета-положение. В сильнокислой среде (в концентрированных кислотах: серной, соляной и т.п.) равновесие (1) почти полностью сдвинуто вправо при условии, что ароматическое ядро не содержит сильных электроноакцепторных заместителей R. Из-за дезактивирующего влияния группы -NH3+ сульфирование анилина до сульфаниловой кислоты при комнатной температуре не происходит. Для сравнения можно указать на то, что при действии концентрированной серной кислоты на фенол последний легко превращается в смесь орто-, пара-сульфокислот и 2,4-дисульфокислоты фенола. 90 Следует, однако, отметить, что даже в сильнокислых растворах очень активные электрофильные реагенты и окислители способны взаимодействовать со свободным амином, присутствующим в этих условиях в ничтожной концентрации. Например, концентрированная азотная кислота энергично окисляет анилин (в форме I) и в то же время реагирует с его солью (форма II), образуя некоторое количество метанитроанилина. При действии концентрированной азотной кислоты на анилин образуется много продуктов осмоления и следы мета-нитроанилина. Для получения из анилина п-нитроанилина, п-броманилина и т.п. приходится прибегать к методу “защиты” аминогруппы, а точнее к ее временной дезактивации путем ацилирования. Например, п-нитроанилин получают следующим образом: NH2 + CH3 C CH3 C NHCOCH3 + HNO3 O O образование ацильного (N-ацетильного) производного O NHCOCH3 (2) + CH3COOH ацетанилид нитрование ацильного производного NHCOCH3 + H2O (3) NO 2 п-нитроацетанилид NHCOCH3 + H2O NO 2 NH2 + NaOH гидролиз ацильного производного (4) + CH3COOH NO 2 n-нитроанилин Превращения анилина в сульфаниловую кислоту включают в себя стадии (5 – 7), аналогичные превращениям (2 – 4) с тем отличием, что в случае сульфирования анилина все последовательные реакции проходят в одном сосуде и промежуточные вещества не выделяются. 91 NH-S O 3H NH3 HS O 4 NH2 нагрев. + H2S O 4 - H2O III (5) образование N-сульфонильного производного анилина - фенилсульфаминовой кислоты NHS O 3H + H2S O4 - H2O NHS O 3H (6) IV S O 3H сульфирование фенилсульфаминовой кислоты NHS O 3H NH2 + H2O - H2S O4 S O 3H V (7) S O 3H гидролиз N-сульфонильного производного Большинство сульфокислот очень хорошо растворяется в воде. В отличие от них сульфаниловая кислота, как и другие ароматические аминосульфокислоты, сравнительно малорастворима: в 100 мл воды при 20 С может раствориться только около 1 г кислоты. Аминосульфокислоты в кристаллическом состоянии существуют в форме биполярных ионов, которые также называют внутренними солями или цвиттер-ионами. Образование биполярного иона происходит в результате внутримолекулярного взаимодействия аминогруппы, обладающей слабо-основными свойствами, с сульфогруппой, кислотные свойства которой по силе сопоставимы с серной кислотой: NH2 NH3 S O 3H S O 3 VI 92 Органические соединения, образующие биполярные ионы, имеют очень прочные ионные кристаллические решетки. Энергии, выделяющейся при гидратации частиц VI, недостаточно для компенсации энергетических затрат, необходимых для разрушения кристаллической решетки сульфаниловой кислоты. Это и является причиной малой растворимости сульфаниловой кислоты в воде. Контрольные вопросы 1. Напишите уравнения всех промежуточных стадий при превращении анилина в сульфаниловую кислоту. Почему в отличие от фенола анилин при действии серной кислоты не образует сульфокислот при комнатной температуре? 2. Напишите уравнение реакции, на которой основано определение конца процесса превращения анилина в сульфаниловую кислоту. 3. Почему в отличие от большинства других сульфокислот (например, п-толуолсульфокислоты) сульфаниловая кислота малорастворима в воде? 4. Почему малорастворимая в воде сульфаниловая кислота хорошо растворяется в водной щелочи? 5. Какие меры предосторожности надо предпринимать в процессе синтеза сульфаниловой кислоты? 2.3. Восстановление нитросоединений 2.3.1. Основные теоретические положения В органической химии широко применяется частное определение окислительно-восстановительных процессов. Восстановлением называется процесс отнятия кислорода, присоединение водорода или одновременно отщепление кислорода и присоединение водорода. Под окислением понимают реакции противоположного направления. В практике чаще всего подвергают восстановлению нитрогруппу (-NО2) и гораздо реже нитрозо (-NО), азо- (-N=N-), циано- (-СN) и другие группы. Поэтому мы остановимся главным образом на восстановлении нитросоединений. Реакция восстановления ароматических нитросоединений в аминосоединения была открыта в 1842 году знаменитым русским химиком Н. Н. Зининым. Он получил анилин восстановлением нитробен- 93 зола сернистым аммонием в спиртовой среде. Работы Н. Н. Зинина сделали ароматические амины доступными для практики. Восстановление нитросоединений до аминопроизводных можно осуществить каталитически с помощью молекулярного водорода: Ar-NO 2 + 3 H2 Pt, Pd или Ni Ar-NH 2 + 2 H2O (1) На практике по сию пору широко используются процессы химического восстановления нитросоединений. Уравнения реакций этого типа более сложны, чем уравнение (1). Однако при их составлении необходимо иметь в виду, что количество восстановителя, необходимое для получения амина, должно быть эквивалентно количеству водорода в уравнении (1). Течение процесса восстановления и его результаты сильно зависят от концентрации ионов Н+ и ОН- в реакционной массе, а также от природы восстановителя. Наиболее распространенные методы восстановления можно объединить в основные группы: 1. Восстановление металлами в присутствии растворов электролитов. 2. Восстановление металлами в кислой среде. 3. Восстановление металлами в щелочной среде. 4. Восстановление молекулярным водородом на катализаторах Восстановление металлами в присутствии растворов электролитов Восстановление железом в присутствии электролитов является широко применимым на практике методом восстановления нитросоединений. Для его проведения в качестве восстановителя употребляют чугунные опилки – отходы металлообрабатывающих заводов. В качестве электролитов чаще всего применяют соли железа: хлористое железо, уксуснокислое железо, а также хлористый аммоний и др. Электролиты вводят в реакционный аппарат готовыми или (чаще) получают в самом аппарате при нагревании чугунных стружек с разбавленной соляной, уксусной или серной кислотой. Процесс приготовления электролита называется “протравлением железа” и производится перед добавлением нитросоединения. После приготовления электролита в реакционный аппарат добавляют порциями при нагревании нитросоединение. Химическая неоднородность чугуна является причиной его электрохимического окисления во влажной среде, так как обуславливает возможность возникновения элементарных гальванических пар. 94 Присутствие электролита усиливает коррозию металла вследствие увеличенной проводимости раствора электролита по сравнению с водой. В результате электрохимического окисления железа освобождаются электроны, которые расходуются на восстановление нитросоединения. Железо превращается в смесь оксидов: закись-окись железа Fe3O4 или иную смесь из FeO и Fe2O3. 3 Fe + 4 H2O Fe3O4 + 8 H+ + 8 е- (2) Ar-NO2 + 4 H2O Ar-NH2 + 6 H+ - 6 е- (3) Комбинируя реакции (2, 3), получим суммарное уравнение реакции окисления-восстановления: 4 Ar-NO2 + 9 Fe + 4 H2O 4 Ar-NH2 + 3 Fe3O4 (4) Электролит при восстановлении не расходуется и его количества, равного 0,1 – 0,2 моля на моль нитросоединения, бывает достаточно для протекания реакции. Важную роль в процессе восстановления играет качество чугунной стружки: чем чище и мельче стружка, тем быстрее идет реакция и больше выход аминосоединения. Успешному осуществлению восстановления способствует также хорошее перемешивание реакционной массы. Восстановление нитросоединений цинковой пылью в среде электролитов на холоду приводит к образованию арилгидроксиламинов ArNHOH. Так, нитробензол при обработке цинковой пылью на холоду в водно-спиртовом растворе хлористого аммония образует фенилгидроксиламин по уравнению: C6H5NO 2 + 2 Zn + 3 H2O NH4Cl C6H5NHOH + 2 Zn(OH)2 (5) Восстановление в кислой среде металлами Восстановление нитросоединений металлами в среде кислот как промышленный метод производства аминов в настоящее время не используется, т.к. восстановление чугунными стружками в присутствии электролитов более экономично. Однако этот способ сохранил значение как лабораторный метод получения аминов, а также как аналитический прием, позволяющий определить количество нитрогрупп в соединении. Наиболее часто для целей восстановления в кислой среде пользуются цинком (в виде цинковой пыли) и соляной кислотой: 95 ArNH2·HCl + 3 ZnCl2 + 2 H2O ArNO2 + 3 Zn + 7 HCl Большое значение как аналитический метод имеет восстановление нитросоединений двухлористым оловом в соляной кислоте: ArNH2·HCl + 3 SnCl4 + 2 H2O ArNO2 + 3SnCl2 + 7 HCl Эта реакция протекает количественно и дает возможность установить число нитрогрупп в соединениях. Восстановление в концентрированной соляной кислоте металлами (кроме железа) приводит обычно к образованию побочных продуктов – хлорзамещенных аминов. Высокая концентрация кислоты и повышенная температура благоприятствуют вхождению галогена в ядро, вероятно, по схеме: C6H5NO 2 + 2 H2 - H2O C6H5NHOH + HCl - H2O + C6H5NHCl H п-Cl-C6H4NH2 Применение железа исключает образование этих продуктов даже при работе в концентрированной соляной кислоте. Эта особенность железа как восстановителя обусловлена способностью Fе2+ легко и полностью восстанавливать образующиеся хлорамины: C6H5NHCl + 2 FeCl2 + HCl C6H5NH2 + 2 FeCl3 Восстановление железом в кислой среде ведут при 90 – 100 С, постепенно добавляя соляную кислоту и постоянно встряхивая колбу. Так можно восстановить нитробензол в анилин, п-нитротолуол в толуидин и т.д. Своеобразные результаты дает восстановление нитросоединений в среде серной кислоты. Так, при действии цинковой пыли на нитробензол получается пара-аминофенол. Этот неожиданный результат объясняется образованием в качестве промежуточного продукта фенилгидроксиламина C6H5NHOH, который в момент образования под влиянием концентрированной серной кислоты перегруппировывается в аминосоединение: NO 2 + 2 H 2 NH2 NHOH H S O (конц.) 2 4 - H2O OH 96 Пути восстановления нитросоединений в зависимости от pH среды Восстановление в кислой среде В каждом конкретном случае путь реакции и ее конечный продукт зависят от используемого восстановителя и от рН среды. В кислой среде восстановление проходит через стадии 1, 2, 3, причем процесс идет настолько быстро, что промежуточные соединения: нитрозобензол и фенилгидроксиламин не могут быть выделены: NO NO 2 + H2 + H2 + H2 1 нитробензол NH2 NHOH 2 нитрозобензол 3 фенилгидроксиламин анилин При восстановлении нитробензола цинком в водном растворе хлористого аммония может быть получен фенилгидроксиламин (уравнение 5 на стр. 111). Восстановление в щелочной среде Экспериментально доказано, что в щелочной среде промежуточными продуктами восстановления нитросоединений также являются нитрозобензол и фенилгидроксиламин. Однако стадия (3) сильно замедляется и ускоряется реакция (4), представляющая собой не восстановительный процесс, а конденсацию нитрозобензола и фенилгидроксиламина с выделением воды и образованием двухядерного продукта – азоксибензола. Далее в щелочной среде продолжается восстановление уже двухядерных азопроизводных (стадии 5 и 6). Превращение гидразобензола в анилин (стадия 7) в щелочной среде проходит медленно: NO NHOH N=N + 4 + H2 N=N азобензол + H2 6 O азоксибензол 5 NH2 NH NH гидразобензол + H2 7 анилин 97 При применении цинковой пыли в щелочной среде восстановление нитросоединения проходит до гидразопроизводного: 2 ArNO2 + 5 Zn + 6H2O Ar-NH-NH-Ar + 5 Zn(OH)2 Цинковую пыль обычно берут в количестве на 10 – 15 % больше теоретически необходимого. Как следует из уравнения реакции, едкий натр в процессе восстановления не расходуется. Он необходим для поддержания щелочной реакции среды, поэтому количество его берут равным 0,1 – 0,2 моля на 1 моль нитросоединения. Ввиду того, что исходные нитросоединения и продукты их восстановления, а также и сам восстановитель нерастворимы в водном растворе едкого натра, реакцию ведут при энергичном размешивании с той целью, чтобы реагенты могли приходить в достаточно тесное соприкосновение друг с другом. Для ускорения реакции иногда вводят растворители, способные растворять продукты реакции, индифферентные к участвующим в процессе веществам (спирт, бензол, толуол и др.) Гидразосоединение выпадает в виде осадка вместе с гидроксидом цинка. Реакционную массу обычно разбавляют водой и осторожно обрабатывают разбавленной кислотой в количестве, необходимом для нейтрализации едкого натра и растворения гидроксида цинка. После этого отделяют осадок гидразосоединения фильтрованием и, если это требуется, подвергают обработке минеральной кислотой с целью проведения бензидиновой перегруппировки. NH NH + 2 HCl Cl NH3 + 2 NaOH NH2 NH3 Cl солянокислый бензидин (хлоргидрат бензидина) NH2 бензидин Из реакционной массы бензидин и его производные выделяют в виде хлоргидрата поваренной солью. Свободное основание получают действием на хлоргидрат щелочи. Восстановление нитросоединений в щелочной среде с целью получения азокси- и гидразосоединений проходит с хорошим выходом и при применении электролиза. В качестве среды применяют водные или водно-спиртовые растворы едких щелочей. Этот метод имеет ряд технических преимуществ. 98 Восстановление в щелочной среде растворами сульфидов. Селективное восстановление полинитросоединений Среди восстановителей, применяемых в щелочной среде, особое место занимают сульфиды: сернистый натрий Nа2S и полисульфиды Nа2Sn (где n = 2 – 3). Восстановительное действие сернистых щелочей основано на их способности окисляться за счет кислорода нитросоединений с образованием тиосульфата Nа2S2О3. Сернистые щелочи отличаются от других восстановителей сравнительно мягким действием. Применение их дает возможность в динитро- и тринитросоединениях восстановить лишь одну нитрогруппу, почти не затрагивая остальные. Из сульфидов в практике чаще всего пользуются сернистыми соединениями натрия. Реакция восстановления нитросоединений сульфидами, например, сернистым натрием протекает по уравнению: NO 2 4 NH2 + 6 Na2S + 7 H2O NO 2 + 3 Na2S 2O 3 + 6 NaOH NO 2 Из уравнения видно, что в результате реакции образуется щелочь, которая влияет на процесс восстановления и приводит к образованию побочных продуктов (азо- и азоксисоединений), что нежелательно. Во избежание этого применяют растворы многосернистых соединений (полисульфидов). При этом восстановительный процесс уже не сопровождается накоплением свободной щелочи. ArNO2 + Na2S5 + H2O ArNH2 + Na2S2O3 + 3 S Из полисульфидов наибольшее употребление имеет дисульфид натрия, при реакции с которым не выделяется сера, мешающая очистке продуктов восстановления: ArNO2 + Na2S2 + H2O ArNH2 + Na2S2O3 Частичное восстановление полинитросоединений сернистыми щелочами проводят при температуре 40 – 60 С, реже – при кипении. Количество восстановителя берется с избытком в несколько процентов от рассчитанного. Этим способом получают м-нитроанилин из м-динитробензола, пикраминовую кислоту (2-амино-4,6-динитрофенол), а также им пользуются для восстановления нитрогруппы в нитроазокрасителях, с целью получения аминоазосоединений. В последнем случае 99 нужно быть осторожным, так как можно восстановить и азогруппу. Сернистые щелочи применяют также и для полного восстановления полинитросоединений, а иногда и для восстановления мононитросоединений, главным образом содержащих гидроксильные группы (например, о-нитрофенола). Преимущество этого метода по сравнению с более дешевым восстановлением чугунными стружками заключается в простоте выделения аминосоединений. Амины (п-нитроанилин, пфенилендиамин п-С6Н4(NH2)2), нерастворимые в водно-щелочной среде, отфильтровывают от раствора тиосульфата натрия. Определение конца реакции Многообразие методов и продуктов, получаемых восстановлением азотсодержащих групп, делает невозможным применение общих способов определения конца реакции. Поэтому эти приемы разнообразны. Некоторые из них указаны в описании методов восстановления. Чаще всего наблюдают цвет вытека реакционной массы на фильтровальной бумажке, так как многие нитросоединения и промежуточные продукты восстановления окрашены в желтый цвет, а соответствующие амины бесцветны. Поэтому желтое окрашивание вытека (иногда появляется при действии едкого натра) указывает на неполноту восстановления. При кипячении реакционной массы в колбе с обратным холодильником полноту восстановления определяют по изменению цвета конденсата от оранжевого до молочно-белого. При восстановлении нитросоединений до аминов для определения концентрации амина пользуются методом количественного диазотирования (стр. 128). Для этого берут две одинаковые пробы реакционного раствора и первую подвергают ускоренному восстановлению цинковой пылью с добавкой соляной кислоты. Затем в обеих пробах определяют количество амина диазотированием. Если на первое диазотирование идет больше нитрита, чем на второе, то восстановление прошло не до конца. Кроме указанного количественного способа определения конца реакции восстановления в лабораторной практике пользуются качественными способами, основанными на растворимости аминосоединений в соляной кислоте. Выделение продуктов реакции Выделение аминосоединений производят различными способами в зависимости от их свойств. Часто пользуются отгонкой амина с водяным паром после предварительной нейтрализации реакционной 100 массы с помощью какого-нибудь щелочного агента (едкого натра, соды или извести). Так, например, выделяют анилин и его гомологи. Вторым распространенным способом выделения аминов является экстрагирование (извлечение) аминов из восстановленной массы с помощью различных растворителей (диэтиловый эфир, бензол, ксилол и т.д.). Этим способом извлекают, например, -нафтиламин. Меры предосторожности при работе с ароматическими аминами Ароматические амины обладают значительной токсичностью. которая несколько снижается при введении в амин сульфогруппы. Вдыхание паров аминов вредно действует на кровеносную систему, поэтому с аминами следует работать под тягой; пары аминов не должны попадать в рабочее помещение и последнее должно хорошо вентилироваться. Следует остерегаться попадания аминов или их растворов на кожу. Если это все-таки случится, загрязненное место следует тщательно промыть теплой водой, подкисленной уксусной кислотой. Одежду, облитую амином, необходимо немедленно снять. 2.3.2. Анилин NO 2 NH3 Cl + 2 Fe + 7 HCl NH3 Cl + NaOH + 2 FeCl 3 Fe 2O 3 + 2 H2O NH2 + NaCl + H2O В двугорлую колбу емкостью 500 мл, снабженную обратным холодильником, вносят 20 г мелких чугунных стружек, которые перед применением желательно активировать. Для этого их помещают в стакан и в вытяжном шкафу медленно, при перемешивании, прибавляют 5 мл концентрированной соляной кислоты. Раствор декантируют, стружки промывают водой, воду сливают. Немного подсушив стружки на листе бумаги, их вносят в колбу, затем наливают 10 мл нитробензола и, постоянно встряхивая реакционную смесь, постепенно прибавляют концентрированную соляную кислоту порциями по 1 – 2 мл, открывая на короткое время второе 101 горло колбы. Если процесс идет слишком бурно, колбу аккуратно охлаждают водой так, чтобы реакция не прекратилась совсем. После прибавления 20 мл соляной кислоты остальное ее количество (70 мл) приливают порциями по 10 мл. Затем колбу нагревают на кипящей водяной бане при периодическом встряхивании. Реакция восстановления заканчивается, когда из пробы, (несколько капель жидкости) исчезнет запах нитробензола, а сама она будет полностью растворяться в 5 мл воды. Часть железа при этом должна перейти в краснокоричневый оксид железа Fe3O4. Обычно для этого требуется нагревать смесь на водяной бане приблизительно 30 минут. Выделение анилина из реакционной смеси Собирают прибор для перегонки с водяным паром (рис. 7 на стр. 38), в котором в качестве перегонной колбы используют реакционный сосуд. В горячую смесь прибавляют 20 мл воды и осторожно небольшими порциями раствор 30 г едкого натра в 40 мл воды до сильнощелочной реакции по индикатору. После этого начинают отгонку анилина с водяным паром. Вначале дистиллят представляет собой эмульсию, которая постепенно расслаивается. Ее собирают в первый приемник. Когда из холодильника начинает стекать прозрачная жидкость, приемник меняют и собирают еще примерно 80 мл совершенно прозрачного дистиллята, который представляет собой раствор анилина в воде. Содержимое первого приемника переносят в делительную воронку и отделяют анилин (нижний слой); верхний слой смешивают с содержимым второго приемника. Из объединенного раствора анилин выделяют, насыщая раствор хлоридом натрия. Для этого к раствору прибавляют хорошо размельченную поваренную соль из расчета 20 г NаСl на 100 мл жидкости. Дают соли раствориться и переливают раствор в делительную воронку. Извлекают анилин из водно-солевого раствора двукратной экстракцией эфиром последовательно порциями по 20 и 10 мл. Эфирные вытяжки соединяют с анилином, ранее отделенным от воды из первого приемника. Объединенный эфирный раствор анилина обезвоживают кусочками твердого гидроксида калия (~5 г) в течение 4 – 6 час, отфильтровывают в сухую колбу Вюрца и перегоняют. Схема установки для простой перегонки приведена на стр. 34 (рис. 4). Однако в нее надо внести некоторые коррективы: при перегонке нельзя нагревать водяную баню на газовой горелке. (ВНИМАНИЕ! В радиусе двух метров от установки не должно быть открытого огня. Вода для подогрева колбы Вюрца должна быть нагрета на другом 102 лабораторном столе, – там, где работы с эфиром не ведутся). Сначала отгоняют эфир, нагревая колбу Вюрца в бане с горячей водой. Отгонку эфира прекращают, когда при нагревании колбы Вюрца даже кипящей водой эфир в приемник не переходит. Следует иметь в виду, что и в этом случае эфир из анилина удален еще не полностью, и при последующей перегонке первая фракция, кипящая ниже 180 С, содержит некоторое количество эфира. После отгонки эфира остаток из колбы Вюрца переносят в колбочку установки для микропереРис. 21. Установка для микроперегонки (рис. 21), прибавляют к нему гонки: 1 – перегонная колбочка; небольшое количество цинковой 2 – термометр; 3 – пальчиковый холодильник; 4 – приемник. пыли и перегоняют анилин, нагревая колбочку на сильно уменьшенном пламени горелки. Первую фракцию (до 180 С) отбрасывают. Собирают фракцию, выкипающую в пределах 180 – 184 С. Выход 70 %. Ткип 184 С. 2.3.3. Выделение и идентификация аминов Для идентификации (распознавания) соли амина ее разлагают, выделяют амин и превращают его в ацетильное производное: + NH3 Cl - NH2 NH COCH3 +NaOH +(CH3CO)2O -NaCl - H2O -CH3COOH Собирают установку для перегонки с водяным паром, показанную на рис. 7 (стр. 38). В качестве реакционного сосуда используют перегонную колбу. В нее помещают 13 г солянокислой соли анилина, 50 мл воды и 5 г NаOН или соответствующее количество КОН. Каплю реакционной смеси наносят на индикаторную бумажку и убеждаются в том, что среда сильнощелочная. В противном случае прибавляют еще 103 некоторое количество щелочи. Дальше действуют точно так же, как описано в разделе “Выделение анилина из реакционной смеси” предыдущей работы. С целью идентификации полученного амина его превращают в ацетильное производное так, как это описано в работе “Ацетанилид” (стр. 63). Ацетилированные амины имеют четкие температуры плавления. Температуры плавления и кипения некоторых ароматических аминов и их ацетильных производных приведены в табл. 5. Таблица 5. Температуры плавления и кипения некоторых ароматических аминов и их ацетильных производных, С Соль амина Амин Хлористый фениламмоний Анилин, Ткип 183 NH3Cl Хлористый п-толиламмоний H3C NH3Cl Ацетильное производное Ацетанилид Тпл 114 – 115 NH2 NHCOCH3 п-Толуидин, Тпл 45, Ткип 200 H3C NH2 п-Ацетотолуидид, Тпл 154 H3C NHCOCH3 о-Толуидин, Ткип 200 о-Ацетотолуидид, Тпл 112 NH3Cl NH2 NHCOCH3 CH3 CH3 CH3 Хлористый о-толиламмоний Хлористый п-хлорфениламмоний Cl NH3Cl Хлористый о-хлорфениламмоний NH3Cl Cl п-Хлоранилин, Ткип 232 Cl NH2 о-Хлоранилин, Ткип 209 NH2 Cl п-Хлорацетанилид, Тпл 179 Cl NHCOCH3 o-Хлорацетанилид, Tпл 88 NHCOCH3 Cl 104 Пояснения к синтезу Восстановление нитробензола железом в кислой среде является лабораторным способом получения анилина. В промышленности этот способ не применяется из-за большого расхода соляной кислоты. В качестве источника железа используются чугунные стружки. Чем мельче стружки, тем скорее и полнее при прочих равных условиях проходит восстановление, поэтому перед работой целесообразно имеющиеся чугунные стружки размельчить в фарфоровой ступке, просеять и использовать отсеянную мелкую фракцию. Реакция проходит с сильным разогреванием. Чтобы нитробензол не улетучивался с водяным паром, реакционный сосуд снабжают обратным холодильником. В результате реакции образуется хлористоводородная соль анилина, из-за чего при последующем охлаждении реакционная масса затвердевает. Конец реакции восстановления определяют по полноте растворения пробы реакционной смеси в разбавленной соляной кислоте, т.к. солянокислая соль анилина в отличие от нитробензола растворима в воде. Наиболее распространенным способом выделения ароматических аминов из реакционных смесей является отгонка их с водяным паром. При подщелачивании реакционной массы свободный амин выделяется из соли и после этого его можно отогнать с водяным паром. Следует иметь в виду, что если нитробензол не прореагировал полностью, то он будет также отгоняться с водяным паром. Поэтому если нет полной уверенности в том, что весь нитробензол восстановился, после разбавления реакционной смеси водой (20 – 25 мл) через нее можно пропустить водяной пар, не прибавляя щелочь. При этом непрореагировавший нитробензол отгонится из смеси с водяным паром. Нитробензол перегоняют в отдельный приемник до тех пор, пока дистиллят не станет прозрачным. Анилин, находящийся в форме солянокислой соли, из кислого раствора отгоняться не будет. В начале перегонки из трубки холодильника вместе с водной эмульсией анилина вытекают его маслянистые капли, затем переходит только мутная эмульсия и, наконец, дистиллят становится прозрачным. Однако это не означает, что отгонка анилина закончена. Прозрачный дистиллят представляет собой разбавленный водный раствор анилина. В этом можно убедиться, собрав в пробирку около 1 мл жидкости и прибавив к ней несколько капель бромной воды. В присутствии анилина выпадает хлопьевидный осадок 2,4,6-триброманилина. Анилин выделяют из дистиллята методом экстракции. 105 Экстракция органических веществ из водных растворов В настоящей работе используется метод экстракции растворенного в воде анилина органическим растворителем – диэтиловым эфиром. Органические вещества обычно более растворимы в органических растворителях, чем в воде, поэтому они могут быть экстрагированы (извлечены) из водных растворов при встряхивании последних с растворителем, который не смешивается с водой. Метод экстракции основан на законе распределения какого-либо растворенного Рис. 22. Разделение несме- вещества (в нашем случае - анилина) между шивающихся жидкостей в двумя несмешивающимися жидкостями: делительной воронке с1/с2 = Const = K, где с1 и с2 - концентрации анилина в слоях жидкостей 1 и 2 (рис. 22); К – коэффициент распределения вещества в двух несмешивающихся жидкостях. Коэффициент К при постоянной температуре для каждого вещества и двух не смешивающихся друг с другом жидкостей постоянен. Если к водному раствору добавляют электролит (например, NаСl), растворимость органического соединения в нем (с2) уменьшается. Органическое соединение “высаливается” из раствора, что способствует его экстракции из водного слоя. Следует иметь в виду, что лучшие результаты могут быть получены при многократном повторении процесса экстракции малыми порциями экстрагента, чем при однократном экстрагировании сразу всем его количеством. Так, в водной фазе останется меньше анилина, если его экстрагирование проводить дважды порциями эфира по 10 мл, чем один раз порцией в 20 мл. Анилин можно экстрагировать из водного раствора не только диэтиловым эфиром, но и другими растворителями: бензолом, толуолом и т.п. Однако повышение температуры кипения растворителя, применяемого для экстракции, приводит к трудности отделения его от анилина с помощью простой перегонки. Для удаления высококипящего растворителя из его смеси с анилином смесь приходится долго нагревать при высокой температуре, близкой к температуре кипения анилина. Это приводит к сильному окислению последнего. Для экстрагирования первичных аминов ни в коем случае нельзя применять гало106 генопроизводные углеводородов типа хлороформа, четыреххлористого углерода и т.п., так как при перегонке таких растворов образуются скверно пахнущие карбиламины (изоцианиды). Например, с анилином: NH2 + CHCl 3 + 3 KOH N C + 3 KCl + 3 H2O Запах изоцианидов настолько силен, что эту реакцию специально применяют для обнаружения ничтожных примесей первичных аминов. Хлористый кальций не пригоден для осушки растворов ароматических аминов из-за его способности образовывать жидкие двойные соединения состава ArNH2·CaCl2. Растворы анилина в органических растворителях перед перегонкой высушивают твердыми едким кали или едким натром, которые связывают воду, но не реагируют с анилином. Контрольные вопросы 1. Нитробензол и анилин не могут кипеть при той температуре, при которой проходит реакция (95 – 98 С). Зачем же при восстановлении нитробензола в анилин используется обратный холодильник? 2. Как можно обнаружить присутствие примеси нитробензола в анилине? Как это используют при определении конца реакции восстановления? 3. Перечислите все органические и неорганические вещества, которые содержатся в реакционной смеси после окончания процесса восстановления. 4. Зачем перед отгонкой анилина с паром в реакционную смесь добавляют едкий натр до щелочной реакции? 5. Как можно отделить от анилина нитробензол, используя различия в химических свойствах этих веществ? 6. Сравните между собой растворимости в воде анилина и нитробензола. Как зависит растворимость органических веществ в воде от строения их молекул? 7. С какой целью после перегонки с паром в дистиллят добавляют поваренную соль? Можно ли для этой цели вместо хлористого натрия использовать другие соли? 8. Напишите химическую реакцию, позволяющую обнаружить анилин в его водном растворе (например, в прозрачном дистилляте 107 при перегонке с водяным паром). 9. Как практически проводят экстрагирование анилина из дистиллята? Какие растворителя для этой цели можно использовать? 10. Чем и как следует осушать раствор анилина в органическом растворителе? 11. Как можно отделить анилин от толуола, используя различия в их химических свойствах? Какой способ разделения применяется в настоящей работе? 13. Какие методы предосторожности следует принимать при синтезе анилина? 2.3.4. мета-Нитроанилин NO 2 NH2 + Na2S 2 + H2O NO 2 + Na2S 2O 3 NO 2 1. Приготовление раствора многосернистого натрия (работу выполняют в вытяжном шкафу) В 50 мл воды растворяют 14,5 г кристаллического сульфида натрия Na2S·9H2O. При осторожном нагревании (жидкость не должна кипеть) и размешивании к раствору прибавляют 2 г тонко растертой серы и добиваются полного ее растворения. Полученный красно-бурый раствор многосернистого (преимущественно – двусернистого) натрия фильтруют через складчатый фильтр. Вместо кристаллического можно взять соответствующее количество технического сульфида натрия. 2. Восстановление. В коническую колбу или химический стакан емкостью 1 л помещают 10 г м-динитробензола, 300 мл воды и нагревают смесь до кипения. Применение механической мешалки значительно ускоряет процесс восстановления. К кипящей смеси порциями по 10 мл постепенно приливают приготовленный раствор многосернистого натрия. Каждую последующую порцию восстановителя приливают после того, как полностью прореагирует предыдущая. Для этого не менее чем через 5 мин после добавления очередной порции восстанавливающего раствора берут пробу на присутствие в реакционной смеси ионов S2- (проба с ацетатом свинца, см. пояснения к синтезу). После добавления всего многосернистого натрия реакционную 108 смесь кипятят еще 30 минут. При этом необходимо поддерживать начальный уровень воды в реакционном сосуде, добавляя воду по мере ее выкипания. Для удаления некоторого количества образовавшейся серы в реакционный сосуд добавляют дополнительно 50 мл воды, смесь нагревают снова до кипения и фильтруют в горячем состоянии через складчатый фильтр или на предварительно нагретой воронке Бюхнера. Выделившийся при охлаждении фильтра желтый осадок м-нитроанилина отфильтровывают на воронке Бюхнера. Продукт высушивают, взвешивают, определяют температуру плавления. Выход 80 %. Тпл 114 С. Пояснения к синтезу Для восстановления только одной нитрогруппы в полинитросоединениях в качестве восстановителей применяют полисульфиды натрия общей формулы Na2Sn (где n = 2; 2,5 или 3). Восстановительное действие сернистых щелочей основано на их способности окисляться с образованием солей серноватистой (тиосерной) кислоты – тиосульфатов. Полисульфиды отличаются от других восстановителей сравнительно мягким действием. В динитро- и тринитросоединениях они, будучи взяты в расчетных количествах, избирательно восстанавливают лишь одну нитрогруппу, почти не затрагивая остальные. Полисульфид натрия растворим в воде и в виде раствора легко реагирует с эмульгированным расплавленным м-динитробензолом. Частичное эмульгирование достигается за счет кипения реакционной смеси, однако для более успешного проведения процесса необходимо интенсивное перемешивание реакционной массы механической мешалкой. Следует избегать избытка полисульфида в реагирующей системе; его прибавляют постепенно в несколько приемов, вводя каждую следующую порцию Na2Sn после того, как прореагирует предыдущая. Обнаружить присутствие сульфида в реакционной смеси можно, поместив на фильтровальной бумаге рядом два пятна: одно от капли реакционной смеси, другое от капли водного раствора уксуснокислого свинца; черная полоска сульфида свинца на границе стекающихся пятен свидетельствует о присутствии S2-. Контрольные вопросы 1. Напишите уравнения восстановления м-динитробензола до мнитроанилина с помощью: а) Na2S, б) Na2S5. Какой состав имеет полисульфид, который используется в приведенном выше синтезе? 109 2. Сравните между собой справочные данные о растворимости в воде м-нитроанилина, м-динитробензола и м-фенилендиамина. Как объяснить увеличение растворимости в воде в ряду динитробензол нитроанилин фенилендиамин? 3. Растворимость м-нитроанилина в воде при 100 С приблизительно в 25 раз больше, чем при 25 С. Рассчитайте количество кипящей воды, которое необходимо для растворения всего способного образоваться в данном синтезе м-нитроанилина. 4. Почему необходимо избегать возникновения значительного избытка восстановителя в реакционной смеси? 5. Напишите уравнение реакции, которое используется в этом синтезе для обнаружения избытка сульфида в реакционной смеси. 2.4. Получение и превращения диазосоединений 2.4.1. Основные теоретические положения Алифатические и ароматические диазосоединения содержат группу из двух атомов азота, связанную с одним углеродным атомом. Они могут существовать в форме R-N=N-X – диазосоединений с ковалентными связями N-Х и [R-N+N]Х – солей диазония (Х – неорганическая часть молекулы. Продукты диазотирования ароматических первичных аминов – соли диазония – полностью ионизированы в водных растворах и имеют следующее строение: R + N N X Положительный заряд в их катионах в основном локализован на атоме азота, связанном с ароматическим кольцом, но вследствие отрицательных электронных эффектов – индукционного (I) и эффекта сопряжения (С) – частично передается на крайний атом азота и в бензольное ядро. Положительный заряд на крайнем атоме азота уменьшается под действием электронодонорных заместителей в кольце и возрастает под влиянием электроноакцепторных заместителей. Влияние заместителей передается не только благодаря -I-эффекту, но также обусловлено существованием сопряжения между -электронной системой кольца и диазогруппой (-С-эффект). Диазониевая группа – настолько сильный акцептор электронов, 110 что ароматическое кольцо со всеми имеющимися в нем заместителями является по отношению к ней электронодонором. Это положение сохраняется даже при наличии в ядре такого сильного акцептора, как нитрогруппа. Получение ароматических диазосоединений Реакция диазотирования представляет собой взаимодействие первичного ароматического амина с азотистой кислотой в присутствии сильной минеральной кислоты. Для диазотирования применяют нитрит натрия, который, взаимодействуя с сильной кислотой, образует азотистую кислоту. NH2 R N N+ Cl - +NaNO 2 + HCl -NaCl - H2O соль диазония R Водный раствор нитрита натрия целесообразно прибавлять к раствору амина в соляной кислоте так, чтобы азотистая кислота образовывалась не на поверхности, а в массе реакционной смеси. Для этого конец сливной трубочки делительной воронки желательно поместить под поверхность энергично перемешиваемой жидкости. Это позволяет избежать потерь азотистой кислоты в результате окисления оксида азота NО кислородом воздуха: NaNO2 + HCl = NaCl + HNO2 2 HNO2 H2O + N2O3 H2O + NO2 + NO 2 NO + O2 (на поверхности жидкости) 2 NO2 (бурый газ) Механизм диазотирования Выявлено несколько частиц, способных осуществлять первоначальную атаку аминогруппы. Неионизированная молекула азотистой кислоты НОNО является одной из них, однако, наименее энергичной. В совместных растворах ой и соляной кислот существуют следующие равновесия: NO2 + H+ HONO + H+ H2ONO+ HONO H2ONO+ H2O + NO+ азотистая кислота, протонированная азотистая кислота, нитрозокатион, 111 NO+ + Cl Cl-NO нитрозилхлорид, NO+ + NO2 N2O3 трехоксид диазота. В зависимости от того, какая минеральная кислота применяется для диазотирования и какова ее крепость, изменяются концентрации активных частиц, и та или иная из них становится главной (но не единственной), принимающей участие в реакции. Реакционная способность отдельных частиц убывает в порядке: NO+ > H2ONO+ ClNO > N2O3 > HONO При диазотировании в среде соляной кислоты основным электрофильным реагентом является хлористый нитрозил, а в бромистоводородной кислоте – бромистый нитрозил. Последний образуется в больших концентрациях, чем ClNО, поэтому реакции нитрозирования и диазотирования в бромистоводородной кислоте протекает с большей скоростью. Самая активная частица – нитрозокатион в ощутимых количествах образуется лишь в концентрированной серной кислоте из нитрозилсерной кислоты: HSO4 + NO+ HOSO2ONO Использование разбавленной серной кислоты приводит к образованию N2О3. Механизм диазотирования в солянокислой среде может быть представлен следующим образом: NH2 NH-N=O + медленно + O N Cl - HCl N N OH (H+) + H+ быстро быстро N N + H2O Факторы, влияющие на скорость диазотирования Как видно из схемы, лимитирующей стадией в цепи превращений амина в диазосоединение является реакция нитрозирования, т.е. электрофильное замещение водорода в аминогруппе на нитрозогруппу (-NО). В этой реакции амин принимает участие в форме свободного основания, а не в виде соли. Между тем, в водных растворах минеральных кислот ароматические амины образуют соли, и равновесие: ArNH2 + H3O+ ArNH3+ + H2O 112 обычно сильно сдвинуто вправо. Однако диазотирование идет только за счет свободного основания ArNH2. Поскольку медленной стадией является реакция электрофильного замещения водорода у азота аминогруппы, скорость диазотирования больше для тех аминов, у которых электронная плотность на атоме азота больше, т.е. выше основность. Амины, основность которых сильно понижена под действием электроноакцепторных заместителей (например, 2,4-динитроанилин), приходится диазотировать в концентрированной серной кислоте, где, как уже указывалось, действует чрезвычайно активный нитрозокатион. Таким образом, роль кислоты в процессе диазотирования является двоякой. С одной стороны, ее избыток уменьшает концентрацию свободного амина и тем самым замедляет реакцию, а с другой – способствует образованию более энергичного диазотирующего агента. Обычно ускорение, обусловленное увеличением концентрации диазотирующего агента, превосходит то замедление, которое связано с уменьшением концентрации свободного амина. Необходимость избытка кислоты при диазотировании обусловлена также тем, что в нейтральной среде (в процессе диазотирования кислота расходуется) соль диазония взаимодействует с непрореагировавшим амином; при этом образуются нерастворимые в воде диазоаминосоединения, имеющие вид желтого творожистого осадка: Ar-N+N·X + H2N-Ar нейтральная среда Ar-N=N-NH-Ar + HX В практике диазотирования берут обычно от 2,5 до 5 моль кислоты на 1 моль амина при теоретически необходимом количестве в 2 моля. Нитрит обычно берут точно в эквимолярном соотношении с амином, так как избыток азотистой кислоты, равно как и недостаток ее, в реакционной смеси приводят к уменьшению выхода получаемого соединения. Очень важным фактором при диазотировании является температурный режим. Диазосоединения отличаются очень высокой реакционной способностью, поэтому, как правило, процесс проводится при низкой температуре, чаще всего от 0 до +5 С. Диазотирование – экзотермический процесс. При повышении температуры диазосоединения в водной среде разрушаются с выделением азота и замещением диазогруппы на гидроксил: R N N + H2O повышенная температура R OH + N2 + H 113 Получающиеся оксисоединения могут дальше вступать в реакцию с диазосоединением; это приводит к загрязненным реакционным смесям. Присутствие в молекуле амина электроноакцепторных заместителей (R = -NO2, -COOH, -SO3H и т.п.) повышает устойчивость солей диазония и позволяет вести диазотирование при более высокой температуре (до +10 С). Для поддержания низкой температуры в ходе диазотирования реакционный сосуд обычно охлаждают в смеси снега или размельченного льда с водой. Иногда кусочки льда вносят непосредственно в реакционную смесь. Скорость реакции диазотирования зависит от растворимости амина: если он растворим, то вследствие гомогенности среды процесс идет быстро; малорастворимые амины диазотируются медленно. Иногда при диазотировании трудно растворимых аминов изменяют порядок смешивания реагентов. Например, сульфаниловая кислота в кислой среде не растворяется, как не растворяется и ее диазосоединение. В этом случае удобно вводить в минеральную кислоту водный раствор натриевой соли сульфаниловой кислоты в смеси с нитритом натрия: NH2 N N о + NaNO2 + 2 HCl S O 3Na раствор I 0-5 C + 2 NaCl + 2 H2O S O3 раствор II осадок Реакция диазотирования в этом случае успевает пройти в гомогенной среде при смешивании водных растворов I и II. Большое значение для ускорения реакции диазотирования имеет интенсивное перемешивание реакционной массы. Контроль диазотирования При диазотировании тщательно контролируют избыток азотистой кислоты и, как только будет обнаружено, что она присутствует в растворе и больше уже не расходуется, приливание водного раствора нитрита прекращают. Наиболее совершенным способом определения содержания свободной азотистой кислоты в реакционной массе в лабораторных условиях и на производстве является измерение окислительно-восстанови114 тельного потенциала системы с помощью платинового индикаторного электрода в паре с каломельным или хлорсеребряным электродом сравнения. Более простой способ контроля – проба по йодкрахмальной бумажке, которая представляет собой полоску фильтровальной бумаги, пропитанную йодистым калием и водорастворимым крахмалом. Если в растворе присутствует свободная азотистая кислота, она окисляет иодид калия, и выделяющийся молекулярный йод, взаимодействуя с крахмалом, окрашивает индикаторную бумагу в синий цвет: 2 KI + 2 HNO2 + H2SO4 = I2 + K2SO4 + 2 H2O + 2 NO Реакция диазотирования проходит сравнительно медленно, поэтому пробу на присутствие избытка азотистой кислоты следует делать не тотчас же после прибавления последней порции нитрита, а спустя 5 – 10 мин после этого. Если после диазотирования в реакционном растворе остается небольшой избыток азотистой кислоты, его уничтожают, вводя в раствор вещества, легко реагирующие с НNО2. Обычно используют мочевину (H2N-CO-NH2) или сульфаминовую кислоту (H2N-SO3H): H2N-CO-NH2 + 2 HNO2 = 2 N2 + CO2 + 3 H2O H2N-SO3H + HNO2 = H2SO4 + N2 + H2O В процессе диазотирования необходимо проверять наличие минеральной кислоты в реакционной массе по индикаторной бумажке. Как правило, соли диазония с такими анионами как Сl , НSО4, Вr и т.п. в свободном виде не выделяют, так как в сухом виде они являются взрывчатыми веществами (во влажном состоянии не опасны). Гораздо большей термической устойчивостью обладают тетрафторбораты диазония [ArN2]+[BF4]. Они могут быть получены в сухом состоянии и храниться продолжительное время. Значительной устойчивостью обладают также двойные соли диазония и ряда металлов. Например, практическое значение имеют двойные соли диазония с хлористым цинком ArN2+·ZnCl3, которые могут быть выделены в сухом состоянии. Диазосоединения иногда выделяют из реакционных смесей в виде их устойчивых форм – диазотатов Ar-N=N-ONa. Формы диазосоединений При добавлении щелочи к раствору соли диазония гидроксильный ион связывается с крайним атомом азота и образуется диазогид- 115 рат, обладающий слабыми кислотными свойствами. Диазогидрат нейтрализует еще один гидроксильный ион, превращаясь в диазотат: + OH Ar N N 1 N N + OH - Н2О Ar OH 2 Z-диазогидрат OH нитрозоамин O Z-диазотат медленно медленно Ar NH N=O N N Ar N N + OH - Н2О Ar E-диазогидратат O N N Ar Е-диазогидрат Константы равновесия реакций (1, 2) почти одинаковы и обычно имеют величину 10-9 10-10 л/моль. Поэтому диазогидрат ни при каких условиях не бывает доминирующей формой. В кислых растворах диазосоединения существуют в основном в виде катионов диазония, в щелочных при рН 10 – в форме диазотат-анионов. Максимальная доля диазогидрата (≤ 25 %) достигается в интервале рН от 9 до 10. Если только что полученный раствор диазотата снова подкислить, то он быстро превратится в исходную соль диазония. Однако, когда этот раствор постоит или если его нагреть со щелочью, то диазотат превращается в более стабильную форму, которая при подкислении лишь очень медленно переходит в соль диазония. Это явление объясняется тем, что образующийся вначале анион диазотата имеет Zконфигурацию, а более стабильный продукт его изомеризации представляет собой E-изомер. (обозначения Z и E рекомендованы ИЮПАК вместо устаревших цис-транс- и син-анти-). Обратное превращение Е-изомера в Z- осуществляется лишь в специальных условиях при действии ультрафиолетового света. Превращение Е-диазотата в соль диазония при подкислении проходит через стадию образования нитрозоамина Ar-NH-NO. Е-диазотаты – стабильные соединения, не способные вступать в реакцию азосочетания. Они используются в технике как удобный для хранения и транспортировки источник получения солей диазония. Превращения диазосоединений Азосочетание Реакция азосочетания приводит к образованию азокрасителей – очень важного класса соединений. В лабораторной практике часто 116 восстановлением азокрасителей получают окси-амино- и диаминосоединения. Таким образом, здесь азокраситель выступает в качестве промежуточного продукта. Из всех приведенных выше форм диазосоединений единственной, способной вступать в реакцию азосочетания, является катион диазония. Азосочетание является типичной реакцией электрофильного замещения. Те соединения, у которых возможно замещение атома водорода, связанного с углеродным атомом, на группу -N=N-Аr, называются азосоставляющими. Первичные ароматические амины, из которых получают соли диазония, принято называть диазосоставляющими. В тех условиях, в которых обычно проводится реакция азосочетания (водная среда, низкая температура) катионы диазония являются слабыми электрофилами. Они могут вступать в реакцию только с такими ароматическими соединениями, которые содержат в ароматическом ядре наиболее сильные электронодонорные заместители, такие как -ОН, -NН2, -NНR, -NR2, где R - алкил. Реакции азосочетания могут быть записаны в виде следующих схем: N(CH3)2 N(CH3)2 N медленно + N Ar быстро -H Ar N (аминоазокрасители) H N=N Ar O N (CH3)2N O N + N Ar медленно быстро -H H N=N Ar O быстро HO N Ar N Ar N +H N (оксиазокрасители) Азосочетание с аминами проводят в слабокислой среде, а с фенолами – в слабощелочной. В последнем случае образуются фенолятионы, которые являются гораздо более активными азосоставляющими, чем сами фенолы. Скорости сочетания фенолятов с катионом диазония в 1010 - 1012 раз больше, чем исходных неионизированных фенолов. 117 В реакцию азосочетания вступают свободные амины, а не их соли. В сильнокислой среде большая часть амина находится в инертной форме Ar-NH3+. В сильнощелочных растворах катион диазония превращается в диазотат-ион, и это также уменьшает скорость реакции. На рис. 23 схематически показан характер изменения скоростей азосочетания с аминами и фенолами при увеличении рН. Хотя скорость азосочетания с аминами мало зависит от рН в пределах от 5 до 9, реакцию предпочитают вести в слабокислых растворах, так как амины в этих условиях лучше растворимы. Кислая среда необходима при использовании в качестве азосоставляющих первичных или вторичных аминов, которые в нейтральных и слабощелочных растворах превращаются в диазоаминосоединения. Рис. 23. Изменение скорости При азосочетании образуются почти (v) азосочетания диазонийисключительно продукты пара-замещения катиона с аминами и фенолами наряду с небольшим количеством орто- в зависимости от величины pH изомеров. Реакции солей диазония с выделением азота Соли диазония неустойчивы и способны распадаться гетеролитически в растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью: Ar - N+N X Ar+ + N2 + X или гомолитически (как правило, под действием катализаторов): Ar - N+N X . . Ar + N2 + X Направление распада зависит от аниона соли диазония и растворителя. Гомолизу способствуют в основном анионы слабых кислот, но в неводных растворах таким образом распадаются даже хлориды. Растворители с высокой диэлектрической проницаемостью способствуют гетеролитическому распаду (общая закономерность). Диазосоединения широко используются для замены диазогруппы в аренах на различные функциональные группы. Иногда это единственный метод получения нужного продукта. Ниже приведены наиболее часто применяемые в лаборатории синтезы с применением диазосоединений. Около каждой реакции указывается, если это достоверно известно, по какому механизму она про118 текает: ГТЛ (гетеролитически) или ГМЛ (гомолитически). Замещение диазониевой группы гидроксилом: нагрев. Ar-N+N + H2O (ГТЛ) Ar-OH + N2 + H+ 2. Замещение диазогруппы на Cl, Br, CN и CNS (реакция Зандмейера). Осуществляется путем разложения соли диазония в присутствии соответствующих координационных соединений меди(I) ([CuCl4]3, [CuBr4]3, [Cu(CN)4], [Cu(CNS)4]3): [CuX4] Ar-N+N + X 3Ar-X + N2 (ГМЛ) Доказано, что этот процесс идет через промежуточное образование арильного радикала. Поставщиком электрона, необходимого для гомолитического разрыва связи С-N, является ион меди в степени окисления +1 (схематично): Ar N + N Cu+ Ar . + :N N: + .Cu2+ Далее ион Cu2+ вновь превращается в Сu+, забирая электрон у галогена, и радикал Х· образует ковалентную химическую связь с Ar·: Ar . + X + .Cu2+ Ar X + :Cu+ Таким образом, медь в реакции Зандмейера служит переносчиком электрона. Образованием в промежуточной стадии арильных радикалов объясняется прохождение ряда побочных процессов при реакциях Зандмейера: а) Образование диарилов: Ar. + Ar. Ar-Ar б) Образование производных азобензола: Ar . + Ar N N + .Cu2+ Ar N N Ar + :Cu+ 3. Замещение диазогруппы на иод непосредственно действием йодистого калия на водный раствор соли диазония без катализатора: 119 Ar-N+N + I Ar-I + N2 В случае реакции с йодид-анионом катализатор не нужен, т.к. роль переносчика электрона способен выполнить сам иодид-ион. 4. Разложение сухого тетрафторбората диазония с образованием фторзамещенных: [Ar-N+N] [BF4] (ГТЛ) Ar-F + BF3 + N2 5. В ряде случаев диазогруппа может быть замещена на сульфохлоридную группу и нитрогруппу: Ar-N+N Cl + SO2 Cu+ уксусная кислота Ar-N+N SO4H + NaNO2 Cu (порошок) Ar-SO2Cl + N2 ArNO2 + N2 + NaHSO4 6. Взаимодействие диазониев с полисульфидами щелочных металлов: COOH COOH + Na2S2 + N2 + 2 NaCl S S N N Cl HOOC Запрещается применять эту реакцию к диазониям, не содержащим групп, сообщающих растворимость в щелочной среде (-ОН, СООН, -SО3Н), так как в этом случае наблюдаются сильные взрывы. Если при диазотировании ароматических аминов образуется нерастворимая в воде соль диазония (например, при диазотировании сульфаниловой кислоты), ее необходимо перерабатывать только во влажном виде из-за чрезвычайной взрывчатости высушенных диазосоединений. Воронку и фильтр, на которых производилось отсасывание диазония, следует немедленно обмыть водой. 2.4.2. Йодбензол NH2 + NaNO2 + HCl N N Cl + KI N N Cl + NaCl + H2O I + N2 + KCl 120 Диазотирование анилина. В стакане емкостью 100 мл смешивают 8,3 мл 38,3 % соляной кислоты с 10 мл воды и к раствору прибавляют 3,1 г свежеперегнанного анилина. Раствор охлаждают в бане со льдом до 1 – 2 С и из капельной воронки при непрерывном перемешивании постепенно прибавляют раствор 2,3 г нитрита натрия в 6,5 мл воды. Температура реакционной смеси не должна превышать 5 С. Для этого в реакционную смесь бросают кусочки льда. Окончание реакции диазотирования контролируют по йодкрахмальной бумажке. Избыток азотистой кислоты разрушают добавлением нескольких крупинок карбамида (мочевины) до прекращения выделения пузырьков газа. Замещение диазогруппы на йод. Полученный раствор соли диазония медленно при перемешивании приливают к предварительно охлажденному в ледяной воде раствору 6,7 г иодида калия в 10 мл воды, находящемуся в колбе емкостью 500 мл. Смесь оставляют на 2 часа при комнатной температуре. Затем к колбе присоединяют воздушный холодильник и нагревают на кипящей водяной бане до прекращения выделения азота. Раствор охлаждают и приливают к нему концентрированный (30 %) раствор NаОН до сильнощелочной реакции. Отгоняют йодбензол с водяным паром. Перегонку ведут до прекращения выделения маслянистых капель йодбензола. Йодбензол отделяют от воды с помощью делительной воронки и обезвоживают прокаленным хлористым кальцием. Перегоняют из маленькой колбы, собирая фракцию, кипящую при 185 – 189 С. Выход 90 %. Ткип 188 С, показатель преломления йодбензола nD20 = 1,6213. Таким же способом можно получить из орто-толуидина ортойодтолуол (Ткип 204 С, nD20 = 1,609). Пояснения к синтезу Из-за низкой активности йода и обратимости процесса прямое йодирование бензола проходит медленно и дает низкий выход иодбензола: + I2 HNO3 или HgO (окислитель) I + HI Окислитель выводит йодистый водород из сферы реакции и тем самым сдвигает равновесие вправо. Способ синтеза йодбензола с использованием соли диазония намного более удобен. Необходимое для работы количество анилина следует перегнать непосредственно перед диазотированием на установке для микроперегонки (рис. 21, стр. 102). Для этого нужно взять 4 мл неочищенного 121 анилина, а в перегонную колбочку вместе с анилином поместить небольшое количество цинковой пыли. Разложение соли фенилдиазония в водном растворе йодистого калия проводят при очень медленном повышении температуры для того, чтобы замедлить побочную реакцию соли диазония с водой. Образующийся в качестве побочного продукта фенол связывают в неперегоняющийся фенолят натрия путем добавления в реакционную смесь щелочи: Йодбензол и о-йодтолуол представляют собой очень тяжелые по сравнению с водой (плотность йодбензола 1,835) бесцветные жидкости с высокими показателями преломления. Это – характерные свойства галоген- и особенно йодпроизводных. Контрольные вопросы по работе см. на стр. 147. 2.4.3. п-Йоднитробензол NH2 N N HS O 4 + 2 H2S O4 + NaNO2 NO 2 + NaHS O4 + 2 H2O NO 2 гидросульфат n-нитробензолдиазония N N HS O 4 I + KI NO 2 + N2 + KHS O4 NO 2 Диазотирование п-нитроанилина. В конической колбе при нагревании растворяют 2,5 г п-нитроанилина в смеси 3 мл концентрированной серной кислоты с 30 мл воды. Смесь быстро охлаждают до 5 – 10 С и к ней постепенно при постоянном перемешивании в течение 30 мин прибавляют раствор 1,5 г нитрита натрия в 7,5 мл воды. Температура реакционной массы при этом не должна превышать 10 С. Конец реакции диазотирования определяют пробой с иодокрахмальной бумажкой. Холодную реакционную смесь фильтруют через складчатый фильтр. К фильтрату прибавляют небольшое количество карбамида 122 (мочевины) до прекращения выделения пузырьков газа. Добавка карбамида требуется для разложения некоторого избытка азотистой кислоты. Фильтрату не дают при этом нагреваться выше 10 С. Разложение соли диазония. Холодный фильтрат, представляющий собой раствор гидросульфата п-нитробензолдиазония, постепенно при размешивании прибавляют к охлажденному раствору 5 г йодистого калия в 30 мл воды, находящемуся в стакане или конической колбе емкостью не менее 500 мл. Происходит бурное выделение азота, смесь при этом сильно пенится. Выпавший осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают водой и высушивают. Выход 90 %. Берут 1/5 часть сухого осадка (по весу) и перекристаллизовывают ено из спирта. Определяют температуру плавления перекристаллизованного продукта. Тпл 174 С. Рассчитывают выход неочищенного продукта и долю потерь при его перекристаллизации (в %). Пояснения к синтезу При низкой температуре растворимость и скорость растворения п-нитроанилина в 15 % серной кислоте мала, поэтому растворение проводят при нагревании. Затем раствор резко охлаждают, и в осадок выпадает мелкокристаллическая соль амина. В растворе при этом находится равновесная смесь свободного амина и его соли. Диазотированию подвергается только свободный амин, реагирующий относительно быстро. По мере расходования амина его содержание пополняется за счет разложения растворенной соли. Таким образом, скорость суммарного процесса диазотирования определяется скоростью растворения гидросульфата п-нитроанилиния. А она тем выше, чем меньше размеры кристаллов. Тем не менее, раствор нитрита к реакционной смеси следует добавлять медленно (7,5 мл за 30 мин). Гидросульфат п-нитробензолдиазония, как и большинство других солей диазония, хорошо растворим в воде и разбавленных растворах кислот. Поэтому при правильном проведении процесса реакционная смесь к окончанию диазотирования будет однородным раствором желтоватого цвета. Если смесь в конце реакции представляет собой не раствор, а суспензию, это означает, что нитрит добавляли слишком быстро. Часть п-нитроанилина, не успев продиазотироваться, выпала в осадок из-за разбавления кислоты водой, добавленной вместе с нитритом. (С уменьшением концентрации кислоты растворимость амина падает). В этом случае раствор соли диазония нужно быстро отфильтровать, а лишь затем разлагать в присутствии иодистого калия. Избыток азотистой кислоты в растворе следует убрать, добавив к нему не123 большое количество мочевины до прекращения выделения пузырьков газа. Иначе азотистая кислота окислит йодистый калий с выделением свободного йода, что приведет к загрязнению продукта. Следует соблюдать осторожность при разложении соли n-нитрофенилдиазония в присутствии йодистого калия. Раствор КI перед прибавлением к нему соли диазония обязательно должен быть охлажден в ледяной воде. Контрольные вопросы по работе см. на стр. 147. 2.4.4. о-Хлорбензойная кислота N N Cl COOH Рис. 24. Схема установки для проведения реакции диазотирования: 1 – электродвигатель, 2 – резиновая пробка с направляющей стеклянной трубкой, 3 – мешалка, 4 – капельная воронка, 5 – резиновая трубка Cu2Cl2 Cl + N2 COOH Приготовление однохлористой меди. В колбе емкостью 250 мл растворяют при нагревании 4,5 г хлорида натрия и 12,5 г пятиводного сульфата меди (CuSO4·5H2O) в 40 мл воды. К смеси медленно при перемешивании добавляют 3,15 г безводного сульфита натрия (или 6,3 г семиводного сульфита натрия Na2SO3·7H2O) в 10 мл воды. Реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры. Выпавший осадок белого цвета промывают методом декантации, т.е. сливанием прозрачной жидкости через край. Однохлористая медь чувствительна к действию кислорода воздуха, поэтому ее хранят под слоем воды в закрытой колбе. Диазотирование антраниловой кислоты. В стакане (рис. 24) емкостью 250 – 300 мл, снабженном мешалкой и капельной воронкой, конец трубки которой помещен ниже уровня жидкости, готовят смесь 6,9 г антраниловой кислоты, 20 мл воды, 14 мл концентрированной соляной кислоты 124 и 10 г льда. В баню помещают охлажденную смесь размельченного льда или снега с поваренной солью, взятых в приблизительном весовом соотношении 10:1. При интенсивном перемешивании в стакан постепенно прибавляют из капельной воронки охлажденный в ледяной воде раствор 4 г нитрита натрия в 20 мл воды. В реакционный сосуд желательно поместить 10 г измельченного льда непосредственно перед прибавлением нитрита, которое должно занимать не менее 15 минут. При соблюдении этих условий температура реакционной смеси не превышает 5 С. По прошествии не менее 5 мин после окончания прибавления нитрита, следует сделать пробу на присутствие в реакционной массе азотистой кислоты, т.е. на конец диазотирования по йодкрахмальной бумажке Замещение диазогруппы на хлор. Приготовленную ранее однохлористую медь растворяют в 20 мл концентрированной соляной кислоты. Получается около 25 мл раствора, который используют как катализатор разложения соли диазония. Раствор катализатора переносят в стакан емкостью 300 мл и охлаждают в бане с ледяной водой. Холодный раствор соли диазония очень медленно при размешивании приливают к охлажденному раствору хлорида меди(I). При этом происходит бурное выделение азота. Выпавший осадок о-хлорбензойной кислоты отфильтровывают на воронке Бюхнера и промывают холодной водой. Для очистки продукт растворяют в разбавленном растворе соды (14 г Na2CO3·10H2O в 100 мл Н2О). При необходимости полученный раствор натриевой соли обесцвечивают с помощью активированного угля и фильтруют. Добавляют 10 % раствор соляной кислоты до кислой реакции по индикаторной бумажке (рН < 4). При этом осаждается о-хлорбензойная кислота, которую после фильтрации, промывки и высушивания взвешивают. Определяют выход и температуру плавления продукта. Выход 85 %, Тпл 142 С. Пояснения к синтезу Предлагаемый способ является удобным лабораторным методом получения о-хлорбензойной кислоты. Синтез ее окислением охлортолуола на стадии реакции окисления проблем не представляет, но непросто получить исходный о-хлортолуол. Прямое хлорирование толуола в присутствии катализатора AlCl3 дает смесь о- и п-хлортолуолов и требует трудоемкой операции выделения о-изомера. о-Хлортолуол можно также получить из о-толуидина (o-CH3-C6H4-NH2) с использованием реакции диазотирования и разложения соли диазония по 125 Зандмейеру, однако в таком случае синтез о-хлорбензойной кислоты становится двухстадийным. Раствор нитрита при диазотировании прибавляют под уровень жидкости в реакционном сосуде. Тем самым предотвращают потери азотистой кислоты из-за окисления ее кислородом воздуха. Интенсивное перемешивание требуется для перевода антраниловой кислоты в кислый водный раствор, где она и подвергается действию диазотирующего агента (NOCl): NH2 (тв) NH2 COOH (р-р) NH3 + Сl +H COOH + NOCl (р-р) NH3Cl COOH (тв) COOH -H2O N N Cl COOH (р-р) Соединения меди(II) окрашены в голубой цвет, однохлористая медь (Cu2Cl2) бесцветна и в воде не растворяется. В солянокислых растворах Cu2Cl2 образует равновесную смесь хлоридных комплексов, которые собственно и выполняют роль катализатора разложения соли диазония: Cu2Cl2 (тв) бесцветный + Cl - [CuCl ] - (р-р) 2 + Cl - 2- [CuCl3] (р-р) + Cl - 3- [CuCl4] (р-р) коричневый Наибольшей каталитической активностью обладает хлорид одновалентной меди, приготовленный непосредственно перед проведением реакции разложения соли диазония. Заранее получать и хранить однохлористую медь не следует. Разложение соли диазония сопровождается бурным выделением азота и часто – вспениванием. Поэтому эту операцию необходимо проводить осторожно, очень медленно добавляя соль диазония к раствору хлорида меди(I) в соляной кислоте, который должен быть предварительно охлажден в ледяной воде. Для обесцвечивания раствора натриевой соли о-хлорбензойной кислоты к нему добавляют активированный уголь, размешивают без нагревания 30 мин и отфильтровывают уголь на воронке Бюхнера. 126 Контрольные вопросы 1. Почему реакцию диазотирования проводят при пониженной температуре? 2. Сколько молей кислоты фактически берется в данном синтезе в расчете на 1 моль ароматического амина? Сравните результат расчета с требуемым числом молей по уравнению реакции. Чем вызвана необходимость применения избытка кислоты? 3. Почему прибавление раствора нитрита к смеси первичного амина и кислоты целесообразно проводить под слой жидкости и при энергичном размешивании? 4. Как определяют конец реакции диазотирования? 5. Разберите механизм реакции Зандмейера и объясните каталитическое действие соединений меди(I). 6. Почему при замещении диазогруппы на йод не требуется добавка соли одновалентной меди? 7. С какой целью и как удаляют избыток азотистой кислоты из реакционной смеси после окончания диазотирования? 8. Зачем перед отгонкой йодбензола в реакционную смесь добавляют щелочь? 9. Напишите уравнения химических реакций, используемых при переосаждении о-хлорбензойной кислоты из раствора соды. 10. С помощью каких химических реакций можно отличить исходную антраниловую кислоту от о-хлорбензойной кислоты? 11. Какие меры предосторожности следует соблюдать при проведении реакций диазотирования и разложения диазосоединений? 2.4.5. Метилоранж NH2 N N + NaNO 2 + 2 HCl S O 3Na 0-5 С + 2 NaCl + 2 H2O S O3 Получение п-диазобензолсульфоната*. В стакане растворяют 2,3 г сульфаниловокислого натрия в 5 мл воды и прибавляют к нему раствор 0,7 г нитрита натрия (NaNO2) в 10 мл воды (примечание 1). При охлаждении льдом или снегом и размешивании полученный расЭто общая стадия в синтезах водорастворимых красителей: метилоранжа, кислотного оранжевого и резорцинового желтого * 127 твор приливают к 10 мл 4 н раствора соляной кислоты. Не ранее, чем через 5 мин после сливания растворов, пробу реакционной смеси испытывают на присутствие в ней некоторого избытка азотистой кислоты по йодкрахмальной бумажке. При отсутствии азотистой кислоты в пробе в реакционную смесь следует добавить около 0,1 г нитрита в 1 мл воды. В процессе диазотирования образуется белая суспензия п-диазобензолсульфоната, которую, не отфильтровывая осадок (примечание 2), используют для получения одного из трех водорастворимых азокрасителей: метилоранжа, кислотного оранжевого ( -нафтолоранжа) или резорцинового желтого (тропеолина). До проведения азосочетания стаканчик с суспензией п-диазобензолсульфоната следует держать в смеси воды со льдом или снегом. Примечания к синтезу 1. При отсутствии готового реактива ”натрий сульфаниловокислый” его раствор можно приготовить из 1,7 г безводной сульфаниловой кислоты и 5 мл 2 н раствора едкого натра по реакции: S O 3H + NaOH NH2 S O 3Na + H2O NH2 2. В сухом виде п-диазобензолсульфонат взрывчат, поэтому его осадок не отфильтровывать! Полученную суспензию нельзя оставлять на продолжительный срок, ее следует использовать в день получения. Метиловый оранжевый: N + N - N(СH3)2 pH = 5 - 6 + - S O3 +NaOH -H2O - O 3S N+(CH3)2 NH N O 3S N N метиловый оранжевый красная форма N(CH3)2 метиловый оранжевый желтая форма 1,2 г N,N-диметиланилина растворяют в 1 мл уксусной кислоты и постепенно при перемешивании прибавляют этот раствор к охлажденной суспензии п-диазобензолсульфоната, полученной ранее. Об128 разуется красная форма метилоранжа. Смеси дают стоять для завершения процесса азосочетания 30 минут. Затем к ней медленно при перемешивании прибавляют 20 мл 2 н раствора едкого натра. При этом смесь приобретает оранжевую окраску из-за образования натриевой соли красителя. Прибавляют 2 г тонко растертого хлористого натрия, нагревают смесь до 80 – 90 С (под тягой), а затем дают ей постепенно охладиться до 40 – 50 С. Далее реакционную массу охлаждают холодной водой (лучше – смесью воды со снегом или льдом), осадок красителя отфильтровывают на небольшой воронке Бюхнера. Для удаления следов диметиланилина, придающего препарату неприятный запах, осадок на фильтре можно промыть небольшим количеством спирта или эфира (2 – 3 мл). Препарат высушивают до постоянного веса при 40 – 50 С, определяют в нем содержание красителя (см. стр. 151). Рассчитывают с учетом этой величины выход метилоранжа в процентах от теоретического. Выход 80 %. 2.4.6. Кислотный оранжевый (-нафтолоранж) Синтез п-диазобензолсульфоната. См. стадию 1 в синтезе метилоранжа, стр. 126. Азосочетание OH ONa + NaOH -H2O нафтол нафтолят натрия N N ONa pH = 9 - 10 + N N S O3 OH S O 3Na Растворяют 1,4 г тонко растертого -нафтола в 20 мл 2 н раствора едкого натра при слабом нагревании. Раствор нафтолята натрия охлаждают в смеси воды со льдом или снегом и приливают к нему охлажденную суспензию п-диазобензолсульфоната. Спустя некоторое время начинается кристаллизация оранжево-желтых листочков натриевой соли красителя. Для уменьшения растворимости -нафтолоранжа в смесь вносят 129 3 г тонко растертого хлористого натрия, нагревают до растворения солей и дают раствору охладиться. Выпавший краситель отфильтровывают на небольшой воронке Бюхнера и сушат до постоянного веса при температуре не выше 60 С. Расчет выхода красителя в процентах от теории проводят с учетом содержания активного вещества в полученном препарате (см. стр. 153). Выход 80 %. 2.4.7. Резорциновый желтый (тропеолин) Синтез п-диазобензолсульфоната. См. стадию 1 в синтезе метилоранжа, стр. 126. Азосочетание OH ONa + 2 NaOH - 2 H2O OH резорцин N N ONa ONa NaO + NaOH + ONa NaO 3S - H2O S O3 + 2 HCl N N ONa -2 NaCl HO NaO 3S N N OH Растворяют 1,1 г резорцина в 25 мл 2 н раствора едкого натра. К этому раствору, предварительно охлажденному до 5 - 10 С, приливают при перемешивании охлажденную суспензию nдиазобензолсульфоната. Температура при азосочетании не должна быть выше 15 С. Образовавшийся краситель выделяют при подкислении реакционной смеси концентрированной соляной кислотой (проба по индикаторной бумажке). Осадок красителя отфильтровывают на небольшой воронке Бюхнера, промывают на фильтре 1 - 2 мл ледяной воды и высушивают до постоянного веса при температуре не выше 50 С. Определяют содержание активного красителя в полученном препарате, как 130 описано ниже, и рассчитывают выход чистого красителя в процентах от теоретического. Выход 80 %. 2.4.8. Спектрофотометрическое определение содержания красителя в растворе Взвешивают на кусочке кальки около 25 мг красителя и через коническую воронку вещество переносят в мерную колбу на 1 л (колба А). Кальку взвешивают снова и по разности первого и второго измерения определяют точную навеску красителя. Доводят содержимое колбы метки и хорошо перемешивают до полного растворения навески (раствор А). С помощью пипетки отмеривают 20,0 мл раствора А и вносят его в мерную колбу емкостью 100 мл (колба Б). Доводят раствор в колбе Б водой до метки и измеряют его оптическую плотность А на фотоэлектрокалориметре КФК-2 (рис. 25). Рис. 25. Внешний вид фотоэлектрокалориметра КФК-2: 1 – регистрирующий прибор; 2 – кюветное отделение; 3 – ручка переключения светофильтров; 4 – рычаг замещения кювет; 5 – рукоятка включения фотоприемников; 6 – ручка установки 100 % пропускания “грубо” и “точно“ Порядок измерений на КФК-2 следующий: 1. Включают прибор в сеть за 20 мин до начала измерений и прогревают его при открытой крышке кюветного отделения (2). 2. С помощью ручки (3) вводят необходимый светофильтр. Для красителей метилоранжа и кислотного оранжевого – светофильтр с max = 490 нм, для резорцинового желтого – max = 440 нм. 3. Устанавливают минимальную чувствительность прибора. Для этого ручку “чувствительность” ставят в положение I, а ручку “грубо” 131 в крайнее левое положение. 4. В кюветное отделение помещают две кюветы: с исследуемым раствором (раствор Б) и с раствором сравнения (вода), крышку кюветного отделения закрывают. 5. С помощью рычага (4) в световой поток вводят кювету с водой и ручкой (6) “точно” устанавливают стрелку прибора на ноль оптической плотности. 6. Поворотом рычага (4) замещают кювету с водой на кювету с исследуемым раствором и измеряют по шкале оптическую плотность раствора (А). Содержание активного компонента красителя (масс. %) в полученном препарате рассчитывают по формуле: p = 0,1(A·M·vA·vБ)/(·a·l·v) (1) Здесь А – оптическая плотность раствора Б; М и – соответственно молярная масса и молярный коэффициент поглощения красителя; а – навеска красителя (г); v – объем раствора A, внесенный в колбочку с целью приготовления раствора Б (мл); l – длина пути светового луча в кювете, см; vА и vБ – объемы мерных колб (мл), используемых для приготовления растворов А и Б. При указанной выше схеме приготовления раствора красителя vА = 1000 мл, vБ = 100 мл, v = 20 мл. С учетом толщины используемой кюветы l = 3,0 см формула принимает вид: (2) p = 167·(A·M)/(a·) Если предполагается использовать мерные колбы и пипетку с другими по сравнению с указанными выше объемами, то необходимую навеску красителя можно определить по формуле: a = 0,005(vA·vБ)/v, мг (3) Таблица 6. Значения М и азокрасителей М Светофильтр с max Метилоранж 327 490 1,7·104 Кислотный оранжевый 350 490 2,2·104 Резорциновый желтый 294 440 2,1·104 Краситель 132 2.4.9. Пояснения к синтезам азокрасителей Для получения азокрасителей используется реакция азосочетания, представляющая собой процесс электрофильного замещения атома водорода в кольце ароматических аминов или фенолов на группу Аr-N=N-. В качестве электрофила выступает диазоний-катион. Ароматические амины, из которых получаются соли диазония, называются диазосоставляющими. При синтезе водорастворимых азокрасителей в качестве диазосоставляющей часто применяется сульфаниловая кислота. С целью удобства проведения диазотирования используют хорошо растворимую в воде натриевую соль сульфаниловой кислоты. В результате диазотирования образуется п-диазобензолсульфонат, который представляет собой внутреннюю соль (“биполярный ион”, “цвиттер-ион”). Особенностью этой внутренней соли является малая растворимость в водных растворах кислот, поэтому в ходе диазотирования п-диазобензолсульфонат выпадает в виде осадка. Этим он отличается от большинства других солей диазония, которые очень хорошо растворимы в воде и водных растворах кислот. Малая растворимость в воде самой сульфаниловой кислоты также объясняется существованием ее в кристаллическом состоянии в виде биполярного иона (см. стр. 107, 108). Ароматические соединения, в молекулах которых происходят замещения атомов водорода на арилазогруппы, называются азосоставляющими. При получении метилоранжа в качестве азосоставляющей применяется N,N-диметиланилин (амин), а в синтезе -нафтолоранжа и резорцинового желтого – соответственно -нафтол и резорцин (фенолы). Соотношение реагентов (кислота и щелочь), а также порядок их смешивания подобраны таким образом, чтобы азосочетание с амином проходило в слабокислой, а с фенолами – в слабощелочной среде. Азокрасители, содержащие сульфогруппы, обладают хорошей растворимостью в воде, особенно в форме натриевых солей. Метилоранж применяется в качестве индикатора при кислотно-основном титровании, так как способен изменять свой цвет в растворе при изменении рН в интервале 3,1– 4,4. O 3S NH N O 3S N N N(CH3)2 N(CH3)2 pH 3,1; красный pH 4,4; оранжевый 133 -Нафтолоранж и резорциновый желтый являются простейшими представителями так называемых кислотных красителей. Более сложные аналоги этих соединений используются для крашения шерсти, шелка, кожи и других материалов, в состав которых входят белки. Процесс крашения подобными красителями проводят в кислой среде, отсюда их название “кислотные красители”. Выпадающие на заключительных стадиях синтеза осадки не могут быть абсолютно чистыми красителями. Добавки неорганических солей к водным растворам органических соединений уменьшают растворимость последних, и они выпадают в осадок. Такой способ выделения веществ из растворов называется “высаливанием”. При высаливании натриевых солей метилоранжа или -нафтолоранжа вместе с ними соосаждается часть хлористого натрия. При необходимости кислотные красители могут быть очищены перекристаллизацией из воды. В некоторых случаях присутствие небольшого количества хлористого натрия в препарате не препятствует дальнейшему применению красителя. Но при этом необходимо знать, сколько чистого красителя или, как принято называть, “активного ингредиента”, содержится в полученном продукте. Для определения концентрации красителей в растворах используют спектрофотометрический метод (рис. 26). В его основе лежит уравнение ЛамбертаБугера-Бера: A = lg (I0/I) = ·c·l. Здесь A – оптическая плотность раствора; I0 – начальная интенсивность светового потока; I – то же после прохождения его через слой раствора толщиной l (см) с концентрацией c (моль/л); – молярный коэффициент погашения. Рис. 26. К принципу фотометрирования Рис. 27. Спектры поглощения в видимой области: 1 – резорцинового желтого в воде, 2 – метилоранжа в щелочной среде, 3 – метилоранжа в кислой среде 134 Величина зависит от длины волны света; эта зависимость называется электронным спектром поглощения. Примеры спектров красителей приведены на рис. 27, а величины – в таблице 6. Из уравнения Ламберта-Бугера-Бера следует, что концентрация красителя в растворе Б равна: cБ = A/(·l) Вместе с тем, молярная концентрация красителя в растворе Б равна: cБ = 0,01p·a·1000v/(M·vA·vБ) Приравнивая два последних выражения, получаем уравнение, из которого следует расчетная формула (1). Контрольные вопросы 1. Почему реакцию диазотирования проводят при пониженной температуре? 2. Сколько молей кислоты фактически берется в данном синтезе в расчете на 1 моль ароматического амина? Сравните результаты расчета с требуемым числом молей по уравнению реакции. Чем вызвана необходимость применения избытка кислоты? 3. Как определить конец реакции диазотирования? 4. Объясните механизм реакции азосочетания. Какое влияние на скорость этой реакции оказывают заместители в бензольном кольце диазоний-катиона? Дайте объяснение на примерах пара-нитро- и параметокси-замещенных: H3CO N N и O 2N N N 5. Почему в качестве азосоставляющих применяются практически только фенолы и ароматические амины? 6. Какие значения рН являются оптимальными при проведении азосочетания: а) с фенолами, б) с аминами? Для объяснения следует рассмотреть кислотно-основные формы диазо- и азосоставляющих в средах с высокими ( 10) и низкими ( 5) значениями рН. 7. Свойства и области применения азокрасителей, содержащих сульфогруппы. 8. Объясните сущность спектрофотометрического метода определения концентрации окрашенного вещества в растворе. 135 2.5. ОКИСЛЕНИЕ 2.5.1. Основные теоретические положения Окисление – это реакция, в которой вещество теряет электроны. В органических соединениях с ковалентными связями это явление маскируется, поэтому более удобно понимать под окислением превращение, при котором молекула вещества обогащается кислородом или теряет водород (или же оба эти процесса происходят одновременно). Количество различных окислителей очень велико. Наиболее употребительными из них в лабораторной практике являются перманганат калия в кислой или щелочной среде, соединения хрома(VI) (хроматы, бихроматы в кислой среде, СrО3 и т.п.), азотная кислота, МnО2 в среде концентрированной серной кислоты. Чаще других используются соединения Мn(VII) и Сr(VI). При действии этих окислителей обычно получают ароматические карбоновые кислоты из гомологов бензола, карбоновые кислоты или альдегиды из первичных спиртов и кетоны – из вторичных. Прописи некоторых синтезов такого типа приводятся в настоящем пособии. В гомологах бензола легко окисляются углеродные атомы боковых цепей. Бензольные кольца устойчивы к действию обычных окислителей. Легкость окисления боковых цепей обусловлена энергетической выгодностью образования промежуточных частиц – радикалов или карбокатионов бензильного типа: CH2 радикал бензил CH R CH R радикалы и карбокатионы бензильного типа При действии на гомологи бензола сильных окислителей (К2Сr2О7, КМnО4, НNО3) образуется смесь карбоновых кислот, причем обязательно одна из них – бензойная кислота. Независимо от длины боковой цепи окисление происходит по -СН-связи: С6Н5СН2СН2СН3 + 5 [O] С6Н5СООН + СН3СООН + Н2О бензойная кислота 136 Из гомологов бензола с двумя боковыми цепями или из нафталина получаются соответствующие фталевые кислоты. Например: СH3 СOOH [O] H3C HOOC п-ксилол терефталевая кислота COOH [O] COOH нафталин фталевая кислота Присутствие в одном из колец нафталина дезактивирующего электроноакцепторного заместителя предохраняет это кольцо от окисления: NO 2 NO 2 COOH [O] COOH α-нитронафталин 3-нитрофталевая кислота В общем случае при окислении многоядерных соединений окислению подвергается в первую очередь ядро, наиболее активное к электрофильной атаке, т.е. с наибольшей электронной плотностью. [O] HOOC S O 3H OH [O] S O 3H COOH COOH Большое значение в промышленности красителей имеет окисление антрацена до антрахинона. В качестве окислителя в этой реакции чаще всего используют раствор бихромата натрия в 25 %-ной серной кислоте и кислород воздуха при температуре 170 – 175 С (жидкофазное окисление) или 380 – 425 С (парофазное окисление). 137 O [O] антрахинон O Окисление ароматических углеводородов до бензойной кислоты проходит через промежуточные стадии образования спирта и альдегида или кетона: CH3 CH2OH [O] CHO [O] COOH [O] Для реакций окисления углеводородов действует правило: чем более окислен промежуточный продукт, тем легче он окисляется. Поэтому если надо остановить окисление, например, на стадии образования альдегида, приходится применять специальные приемы. Так, при окислении толуола или его замещенных в кольце производных оксидом хрома(IV) в растворе уксусного ангидрида процесс удается остановить на стадии образования двухатомного спирта ArСН(ОН)2 путем связывания последнего уксусным ангидгидом и образования диацетата: O 2N CH3 CrO 3 (CH3CO)2O CH O 2N O-CO-CH3 O-CO-CH3 диацетат n-нитробензальдегида Диацетат устойчив к окислению в условиях синтеза и легко выделяется. Его гидролиз ведет к нестабильному двухатомному спирту, который, отщепляя воду превращается в альдегид: : CH(OCOCH3)2 CH(OH)2 + CHO - H2O + H2O, H -CH3COOH NO 2 NO 2 NO 2 138 В некоторых синтезах используется различие в температурах кипения исходного спирта и образующегося альдегида: более летучий альдегид успевает отогнаться из реакционного сосуда прежде, чем произойдет его дальнейшее окисление. На этом принципе, в частности, основан синтез бутаналя из бутанола-1: CH3CH2CH2CH2OH бутанол-1, Ткип O K2Cr2O7; H2S O4 117о С CH3CH2CH2C C бутаналь, Ткип H 75о С Если в ароматической молекуле имеется две алкильные группы, одинаковые или разные, то иногда удается осуществить частичное селективное окисление. Так, каждый из трех изомерных ксилолов может быть окислен в соответствующую толуиловую кислоту с помощью азотной кислоты: H3C CH3 HNO 3; 100 оС H3C - Н2О n-ксилол COOH n-толуиловая кислота Хромовая кислота легче атакует пара-алкильные группы, чем мета-заместители той же природы. Можно также сказать, что длинная боковая цепь будет окисляться раньше, чем СН3-группа, т.к. реакции легче идут по вторичным -СН-связям: g CH 3 CH2 CH2 CH3 CH 3 CH2 C O COOH 2 [O] 3 [O] -H2O -H2O -CH3COOH CH3 CH3 При окислении боковых цепей в фенолах или аминах для предупреждения более глубокого окисления необходимо защищать гидрокси- или амино-группы предварительным ацилированием: 139 CH3 CH3 -CH3COOH + H2O; H - CH3COOH -H2O NHCOCH3 n-толуидин п-ацетотолуидид COOH + 3[O] + (CH3CO)2O NH2 COOH NHCOCH3 п-ацетаминобензойная кислота NH2 п-аминобензойная кислота Группа -NНСОСН3 менее активна, чем -NН2, и поэтому молекула пара-ацетотолуидина более устойчива, чем молекула пара-толуидина. 2.5.2. Бензойная кислота (из толуола) O C CH3 + 2 KMnO 4 OK + 2 MnO + KOH + H O 2 2 бензоат калия O O C OK C + HCl OH + KCl бензойная кислота В круглодонной колбе емкостью 150 – 200 мл, снабженной обратным холодильником и мешалкой, нагревают на кипящей водяной бане 1 г толуола и 3,4 г перманганата калия в 75 мл воды. Нагревание продолжают в течение 4 час до исчезновения малиновой окраски (примечание). Выпавшую двуокись марганца отфильтровывают на воронке Бюхнера и дважды промывают кипящей водой порциями по 10 – 15 мл. Фильтраты соединяют, упаривают на кипящей водяной бане до объема 10 – 15 мл и осаждают бензойную кислоту из раствора соляной кислотой, прибавляя ее по каплям. Выпавшую бензойную кислоту отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают небольшим количеством ледяной воды, высушивают и определяют температуру плавления. Выход: 1 г, Тпл 121 С. Примечание Если после 4-часового нагревания обесцвечивание раствора не произойдет, к реакционной смеси добавляют раствор бисульфита или сульфита натрия до исчезновения окраски перманганата калия. 140 2.5.3. Бензойная кислота (из бензилового спирта) CH2OH COOK + 4 KMnO4 + 4 MnO2 + 3 KOH + 4 H2O COOK + HCl COOH + KCl В круглодонную колбу емкостью 150 – 200 мл, снабженную обратным холодильником, помещают 100 мл воды, 4,5 г перманганата калия и 2 мл бензилового спирта. В колбу вносят несколько небольших осколков фарфора. Смесь доводят до слабого кипения и кипятят до тех пор, пока в дистилляте, стекающем в колбу из обратного холодильника, перестанут быть заметны маслянистые капельки неокисленного бензилового спирта (30 – 90 мин.) От непрореагировавшего перманганата избавляются, добавляя в реакционную смесь небольшое количество сульфита или бисульфита натрия, или этилового спирта. Черный осадок диоксида марганца отфильтровывают на воронке Бюхнера, дважды промывают его 5 – 10 мл кипящей воды и хорошо отжимают. Фильтрат вместе с промывными водами переносят в фарфоровую чашку и упаривают раствор на водяной бане до 25 – 30 мл. К охлажденному упаренному раствору прибавляют соляную кислоту до кислой реакции по индикаторной бумажке. Выпавшую бензойную кислоту отфильтровывают на воронке Бюхнера и промывают на фильтре 10 – 15 мл ледяной воды. Осадок, не высушивая, перекристаллизовывают из кипящей воды. Выход 80 %, Тпл 121 С. Пояснения к синтезам бензойной кислоты (2.5.2 и 2.5.3) Конец реакции окисления определяют по исчезновению малиновой окраски перманганата калия. Для этого каплю реакционной смеси наносят на фильтровальную бумагу. Если весь перманганат прореагировал, в месте нанесения капли остается черное пятно МnО 2, а растекающийся водный раствор бесцветен. Такую пробу можно проводить только в том случае, если перманганат заведомо взят в некотором недостатке по отношению к окисляемому веществу. В противном случае можно контролировать присутствие окисляемого вещества в парах, 141 выходящих из реакционной колбы, и прекращать реакцию, как только оно в них исчезнет. Так поступают, например, при получении бензойной кислоты из бензилового спирта. Избыток перманганата удаляют, добавляя в реакционную смесь какой-либо восстановитель: сульфит или бисульфит натрия, этиловый спирт, формальдегид и т.п. Например, 2 KMnO4 + 3 C2H5OH этиловый спирт 3 CH3CHO + 2 MnO2 + 2 KOH + 2 H2O ацетальдегид Образующийся при окислении этилового спирта уксусный альдегид не загрязняет основной продукт – бензойную кислоту, так как, имея низкую температуру кипения, улетает из реакционной смеси. На примере последней реакции можно показать, как обычно уравниваются органические реакции окисления-восстановления. 2 KMnO4 CH3CH2OH + O 2 MnO2 + 2 KOH + 3 O (1) CH3CHO + H2O (2) Полуреакция (1) отражает процесс восстановления перманганата в щелочной среде. Полуреакция (2) – процесс окисления спирта до альдегида. Умножая стехиометрические коэффициенты полуреакции (2) на три и складывая после этого уравнения (2) и (1), получают полное уравнение окисления этанола. При проведении синтеза бензойной кислоты требуется энергичное перемешивание. По мере прохождения реакции выпадает тяжелый осадок диоксида марганца, поэтому даже при незначительных перегревах наблюдаются толчки неравномерно кипящей смеси, что может привести к растрескиванию реакционного сосуда. Чтобы избежать этого, целесообразно перед началом синтеза в колбу положить “кипелки”, например, осколки фарфора. Следует иметь в виду, что продуктом окисления как толуола, так и бензилового спирта перманганатом калия является не свободная бензойная кислота, а ее калиевая соль, растворенная в воде. Свободную кислоту выделяют путем подкисления водного раствора калиевой соли. Малорастворимая в холодной воде бензойная кислота выпадает в осадок. Необходимо учитывать, что соляная кислота расходуется также и на нейтрализацию образовавшейся в ходе реакции щелочи. При расчете количества соляной кислоты, необходимой для нейтрализации щелочи и превращения бензоата калия в свободную бензойную кислоту, можно руководствоваться правилом: количество эквивалентов кислоты должно быть равно количеству молей взятого KMnO4. 142 Контрольные вопросы 1. Зачем при получении бензойной кислоты из толуола или бензилового спирта реакционный сосуд снабжают обратным холодильником? С какой целью в колбу добавляют осколки фарфора? 2. Напишите уравнения окисления марганцовокислым калием в водной среде: а) сульфита натрия; б) формальдегида. 3. Рассчитайте, сколько миллилитров соляной кислоты с плотностью 1,18 г/см3 требуется добавить к реакционной смеси для осаждения бензойной кислоты при синтезе ее по применяемой методике? 4. Проведите сравнительную характеристику физических свойств толуола или бензилового спирта и бензойной кислоты (в зависимости от используемой методики). 5. Почему конечный продукт промывают ледяной водой? 6. Какая кислота более сильная: уксусная или бензойная? Как влияет строение кислоты на ее силу? 7. Как зависит сила бензойных кислот от наличия в их молекулах электроноакцепторных или электронодонорных заместителей? 2.5.4. Масляный альдегид (бутаналь) 3 СH3CH2CH2CH2OH + K2Cr2O7 + 4 H2SO4 3 СH3CH2CH2CHO + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7 H2O Собирают прибор, состоящий из трехгорлой колбы на 250 мл, в боковое горло которой вставлена капельная воронка, а в центральное дефлегматор, соединенный с прямым холодильником. В колбу помещают 14,5 г н-бутанола, а в капельную воронку теплый раствор 20 г бихромата калия и 16 мл концентрированной серной кислоты в 100 мл воды. н-Бутанол нагревают до кипения и, когда его пары достигают нижней части дефлегматора, начинают добавлять раствор окислителя, следя за тем, чтобы температура паров, переходящих в холодильник, была в пределах 80 – 85 C. Реакция окисления сильно экзотермична, поэтому нагрев можно ослабить или прекратить. После добавления всего окислителя колбу снова подогревают, отгоняя остатки бутаналя при температуре до 90 C. В приемнике собирается бутаналь с водой, которую отделяют при помощи делительной воронки. Продукт обезвоживают прокаленным хлористым кальцием или безводным сульфатом натрия и перегоняют с дефлегматором. Выход 75 %. Ткип 75 C. Данную методику можно применять для синтеза других альдегидов: пропионового, изомасляного, валерианового и изовалерианового из соответствующих спиртов. 143 Рис. 28. Установка для получения бутаналя: 1 – капельная воронка; 2 – термометр; 3 – дефлегматор; 4 – трехгорлая колба; 5 – водяной холодильник; 6 – приемник; 7 – сетка на металлическом кольце Пояснения к синтезу Окисление первичных спиртов является, наряду с дегидрированием, классическим и широко распространенным методом получения алифатических альдегидов. Образующийся альдегид легко окисляется теми же самыми окислителями до карбоновой кислоты. Этого можно избежать, если альдегид по мере его образования удалять из реакционной смеси отгонкой. Это легко осуществимо, так как альдегиды имеют на 40 – 50 С более низкие температуры кипения, чем соответствующие им спирты. Полностью избежать окисления образующегося альдегида и связанных с этим других побочных реакций не удается, и выход редко превышает 70 %. Для очистки образующегося альдегида от примесей помимо перегонки с елочным дефлегматором часто используют реакцию образования бисульфитного производного. Для этого полученный альдегид встряхивают с равным объемом концентрированного раствора бисульфита натрия. Выпавший осадок бисульфитного производного отделяют, промывают эфиром, а затем гидролизуют при нагревании с раствором соды. Выделившийся альдегид отделяют, промывают водой, сушат и при необходимости перегоняют. При использовании данной методики для получения других альдегидов необходимо соответствующим образом изменять температурные условия проведения реакции. 144 Контрольные вопросы 1. Какие методы получения алифатических альдегидов Вы знаете? 2. Как действуют различные окислители ( КМnО4, К2Сr2О7, МnО, НNО3) на спирты (первичные, вторичные, третичные). Как влияет кислотность среды на результат реакции? 3. Какие побочные реакции протекают при окислении первичных спиртов до альдегидов в кислой среде? 4. Как можно предотвратить дальнейшее окисление альдегида? 5. Напишите реакции полученного альдегида с гидроксиламином, бисульфитом натрия, синильной кислотой, проведите альдольную конденсацию. Напишите реакцию разложения бисульфитного соединения бутаналя при нагревании с водным раствором соды. 6. Как доказать наличие альдегидной группы в соединении? Напишите реакции полученного альдегида с аммиачным раствором оксида серебра, с 2,4-динитрофенилгидразином, бромом, анилином. 7. В ИК-спектре масляного альдегида (бутаналя) найдите полосы поглощения, характерные для альдегидной группы (рис. 29) [7]. 8. Проанализируйте ПМР-спектр масляного альдегида (рис. 30). Изобразите теоретически ожидаемый ЯМР-спектр пропаналя [7]. Рис. 29. Инфракрасный спектр масляного альдегида Рис. 30. Спектр 1Н ЯМР масляного альдегида 145 9. Какие методы можно предложить для очистки полученного альдегида от примесей? 10. Как необходимо изменить условия проведения данного синтеза при получении пропаналя, 2-метилпропаналя, пентаналя? 11. Почему при проведении реакции необходимо использовать дефлегматор? В чем заключается принцип его действия? 2.5.5. Бензальдегид 3 CH2OH + K2Cr2O7 3 CHO + 2 KOH + Cr2O3 + H2O В круглодонной колбе на 250 мл растворяют при нагревании 15 г бихромата калия в 150 мл воды, добавляют 15 мл бензилового спирта и кипятят с обратным холодильником около 1 часа. Конец реакции определяют по изменению окраски реакционной смеси с оранжевой на грязно-зеленую. После завершения окисления колбу присоединяют к заранее собранной установке для перегонки с водяным паром и отгоняют бензальдегид. Продукт отделяют в делительной воронке от воды и для очистки от бензилового спирта смешивают при энергичном встряхивании с равным объемом насыщенного водного раствора гидросульфита натрия (техническое наименование – бисульфит натрия). Выпавший осадок бисульфитного производного отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают эфиром. Для выделения бензальдегида бисульфитное производное разлагают при кипячении в колбе с обратным холодильником в течение нескольких минут с раствором соды, взятой в двукратном избытке. После охлаждения добавляют 10 мл толуола, отделяют органический слой, промывают его водой, сушат безводным сульфатом натрия или хлористым кальцием и перегоняют из колбы Вюрца сначала толуол до 176 С, а затем бензальдегид, собирая фракцию с температурой кипения 176 – 182 С. Выход 70 %. Ткип 179 С. Пояснения к синтезу Основным методом синтеза ароматических альдегидов – бензальдегидов является окисление соответствующих метилбензолов. В качестве окислителей используют кислород на катализаторе, хромовый ангидрид в уксусном ангидриде, галогены. В последнем случае сначала получают дигалогенпроизводные типа АrСНСl 2 или АrСНВr2, которые затем гидролизуют. 146 В настоящей работе для синтеза бензальдегида применяется реакция окисления бензилового спирта бихроматом калия. Процесс проводят в нейтральной среде, что позволяет в значительной степени избежать дальнейшего окисления бензальдегида в бензойную кислоту. Отгонка бензальдегида из реакционной смеси с водяным паром позволяет избавиться от примеси бензойной кислоты, которая в виде соли остается в перегонной колбе. Для отделения непрореагировавшего бензилового спирта бензальдегид превращают в малорастворимое бисульфитное производное. При этом бензиловый спирт отмывается эфиром. Для идентификации бензальдегида, определения степени его очистки и характера примесей можно использовать спектроскопические методы исследования, в частности инфракрасную спектроскопию и спектроскопию магнитного резонанса. ИК- и 1Н ЯМР-спектры бензальдегида показаны на рис. 31, 32. Рис. 31. Инфракрасный спектр бензальдегида Рис. 32. Спектр 1Н ЯМР бензальдегида 147 Контрольные вопросы 1. Напишите уравнения побочных реакций, проходящих при окислении бензилового спирта бихроматом калия в нейтральном растворе. 2. Как влияет рН среды на протекание данной реакции? 3. Как действуют на бензиловый спирт другие окислители: перманганат калия, азотная кислота? 4. При проведении каких операций происходит очистка бензальдегида от бензойной кислоты и бензилового спирта? 5. Почему приходится очищать конечный продукт от бензилового спирта, хотя окислитель был взят в избытке? 6. Предложите другие, кроме действия окислителей на спирт, способы получения бензальдегида. 7. Напишите реакции, при помощи которых можно доказать наличие альдегидной группы в бензальдегиде. 8. Найдите характеристические полосы поглощения альдегидной группы в инфракрасном спектре бензальдегида (рис. 31). 9. Изобразите теоретический ЯМР-спектр бензальдегида. Сравните его с экспериментальным (рис. 32) и произведите отнесение сигналов [7]. 148 3. Синтез гетероциклических соединений 3.1. 1,4-Диоксан CH2OH CH2OH О H2SO4 -H2O О (1) В круглодонной колбе на 250 мл, снабженной дефлегматором и прямым холодильником, смешивают 22,5 мл (0,4 моль) этиленгликоля и 2,4 мл серной кислоты (d = 1,84 г/мл). Смесь осторожно нагревают до кипения и собирают фракцию 84 – 102 °С до тех пор пока содержимое колбы не начнет чернеть и пениться. Полученный дистиллят высаливают поташом, верхний органический слой отделяют и высушивают гидроксидом калия, а затем перегоняют с дефлегматором собирая фракцию с температурой кипения 100 – 103 °С. Выход с 15,5 г (88 %). Пояснения к синтезу В этом синтезе серная кислота играет двоякую роль – водоотнимающего и протонирующего агента. В качестве дегидратирующего реагента концентрированная серная кислота смещает равновесие реакции вправо. Реакция (1) обратима, в к присутствии концентрированной серной кислоты равновесие смещается вправо. Связи С–О этиленгликоля полярны и атомы углерода заряжены положительно. Однако этого заряда недостаточно для осуществления реакции нуклеофильного замещения. Ей предшествует равновесное протонирование одного из атомов кислорода этиленгликоля: H H H + O + OH H C H C H +H2SO4 (2) -HSO4C C H H HO H HO H , в результате которого дробный положительный заряд на соседнем атоме углерода резко возрастает. Этот атом далее подвергается нуклеофильной атаке второй молекулой этиленгиколя, его атомом кислорода, имеющего неподеленную электронную пару («атака с тыла», механизм реакции SN2): 149 H H H H OH C + C H O+ H + O медл. -H2O -H+ CH2 CH2 CH2 CH2 C OH OH C H H HO H , HO H Затем указанная последовательность элементарных реакций повторяется уже внутримолекулярно с образованием 1,4-диоксана. 2,4,6-Трифенилпирилия перхлорат Трифенилпирилия получают конденсацией 2 моль ацетофенона с 1 моль бензальдегида в присутствии хлорной кислоты: O CHO O C CH3 + H3C C HClO4 O+ ClO4- В круглодонную колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником, помещают 4,7 мл (0,04 моль) ацетофенона, 2,1 мл (0,02 моль) бензальдегида, 5 – 6 мл толуола и 2 мл (0,02 моль) 70 %-ной НСO4 (см, прим. I к предыдущему синтезу). Смесь кипятят 3 час, охлаждают и разбавляют 150 мл эфира. Выпавший желтый осадок пирилиевой соли через 2 – 3 час отфильтровывают, промывают эфиром и высушивают сначала на воздухе, затем в вакуум-эксикаторе. Продукт перекристаллизовывают из хлороформа или ледяной уксусной кислоты. Выход 4 г (49 %). Тпл 275 – 276 °. Пояснения к синтезу Концентрированная хлорная кислота 150 Первые стадии реакции идут по типу кротоновой конденсации и включают предварительную перегруппировку ацетофенона в енольную форму: O Ph C H+ + OH OH CH3 Ph C Ph CH2 I C II CH2 Ph обозначает фенил -С6H5 Формальная структура енола (I) неточно описывает его строение. Атомы цепочки НО-С-СН2 каждый находятся в гибридном состоянии sp2 и при взаимодействии их pz-орбиталей образуются связывающая, разрыхляющая и несвязывающая молекулярные орбитали. В результате этого электронная пара кислорода оказывается на НСМО, т.е. и на кислороде, и на углероде группы СН2, как это показывает структура (II). Этот атом приобретает свойства нуклеофила и атакует связь С=О бензальдегида, разрывая ее: + OH C H2C Ph + O Ph С H OPh С CH2 C H + OH Ph OH Ph С CH2 C O Ph . H При высокой температуре и в условиях кислотного катализа промежуточный аналог альдоля отщепляет воду с образованием ненасыщенного кетона, который по уже описанной цепочке реакций конденсируется со второй молекулой ацетофенона. Завершается процесс, очевидно, реакцией окислительной циклизации: OH СH CH2 C Ph O Ph -H2O Ph С CH C H Ph Ph C HClO4 CH3COPh CH CH CH Ph O+ C Ph Ph Ph O ClO4O Ph Пиррол 151 COO- NH4+ (CHOH)4 - COO NH4+ t -H2O - CO2 - NH3 N H 63,0 г (0,3 моль) слизевой кислоты и 90 мл 25 %-ного водного аммиака (уд. вес 0,9 г/мл) тщательно смешивают под тягой в фарфоровой чашке до образования однородной пасты. Густую массу нагревают на кипящей водяной бане при перемешивании до полного удаления воды и образования сухого порошка. Полученный слизевокислый аммоний растирают в порошок, смешивают с 35 мл глицерина в 0,5 л колбе и полученную смесь выдерживают ночь при комнатной температуре. Затем к колбе присоединяют прямой холодильник и смесь осторожно нагревают пламенем газовой горелки до 320 – 330 С. При сильном вспенивании начинает отгоняться пиррол, перегонку продолжают до тех пор, пока отгоняются капли масла. При этом общий объем дистиллата достигнет 90 – 100 мл. Маслянистый пиррольный слой отделяют и водный раствор в делительной воронке экстрагируют 10 мл эфира. Объединенный эфирный раствор и пиррольную фракцию промывают небольшим количеством воды, отделяют с помощью делительной воронки, быстро обезвоживают гидроксидом калия и перегоняют в приборе с дефлегматором (температура кипения 127 – 131°С). Выход 7,5 – 8,0 г (37 – 40 %). Пояснения к синтезу Механизм этой реакции не исследован, однако очевидно, что при воздействии высокой температуры происходит декарбоксилирование слизевой кислоты, дегидратация образующегося при этом тетраола, который далее вступает в реакцию конденсации с аммиаком. Видимо, замыкание цикла осуществляется подобно тому, как это происходит при синтезе хинолина (см. ниже Глицерин необходим для гомогенизации реакционной массы и предотвращения ее местных перегревов. Источником пиррольного азота является аммиак. Растворяя его, глицерин сохраняет аммиак в реакционной системе. Пиролиз аммонийной соли слизевой кислоты сопровождается сильным вспениванием и выделением дурно пахнущих веществ. Поэтому нагревание надо вести очень осторожно во избежание переброса реакционной масс в холодильник и отгонку проводить под тягой. 152 1-Фенилпиррол При нагревании слизевой кислоты с анилином с умеренным выходом образуется 1-фенилпиррол: COOH NH2 (CHOH)4 + N CH2OH К нагретому до 150 °С анилину (121 г, 1,3 моль) (анилин ядовит, работать под тягой!) в один прием добавляют 126 г (0,6 моль) слизевой кислоты. Смесь, перемешивая, кипятят с обратным воздушным холодильником 3 – 4 часа. Затем обратный холодильник заменяют на прямой и отгоняют почти всю жидкость. Дистиллят трижды экстрагируют 80 мл порциями эфира. Эфирную вытяжку последовательно промывают 10 – 20 %-ной соляной кислотой, 5 – 10 %-ным раствором кальцинированной соды (Na2CO3), водой и затем обезвоживают плавленым хлористым кальцием. После отгонки эфира продукт перегоняют в вакууме, собирая фракцию с Ткип 110 – 116 °С (9 мм рт. ст.) или 127 – 135 °С (30 мм рт. ст.). Сырой продукт плавится при 55 – 60 °С. После двукратной перекристаллизации из смеси этанол-вода (3:1 по объему) получают бесцветны кристаллы с Тпл 58 – 60 °С и Ткип 234 °С. Выход 36 – 43 г (42 – 50%). УФ спектр в этаноле λmax (lg ε): 253 нм,(4,13). 3,5-Диметилпиразол CH3 CH2 C N2H4 H3C C O -H2O O CH3 CH2 C H3C C O -H O 2 H3C NHNH2 CH3 N NH В 1 л колбе, снабженной капельной воронкой, термометром и мешалкой, растворяют 65,0 г (0,5 моль) сернокислого гидразина в 400 мл 10%-ного гидроксида натрия. Колбу охлаждают до 15 °С и прибавляют при перемешивании 50,0 г (0,5моль) ацетилацетона, затем еще 1 час перемешивают при 15 °С. К содержимому колбы добавляют 200 мл воды, переносят в делительную воронку и взбалтывают со 125 мл эфира. Слои разделяют и водный слой экстрагируют еще четыре раза пор153 циями по 40 мл эфира. Объединенные эфирные вытяжки промывают насыщенным раствором хлорида натрия и сушат поташом. Эфир отгоняют и остаток высушивают в вакууме. Для очистки продукт можно перекристаллизовать из петролейного эфира Выход 37 – 39 г (77 – 81 %). Тпл 107 – 108 °С. Пояснения к синтезу Первая стадия реакции состоит в нуклеофильном присоединении азота гидразина по двойной связи С=О. Далее отщепляется молекула воды и образуется моногидразид ацетилацетона I, который за счет неподеленной электронной пары второго атома азота вступает в аналогичные внутримолекулярные превращения с образованием промежуточного продукта II. Атомы азота соединения II обладают сильными электроноакцепторными свойствами и ослабляют связи С-Н центрального метиленового звена. Миграция одного из атомов водорода группы СН2 к атому азота ведет к образованию стабильной ароматической системы π-связей, что является движущей силой реакции изомеризации: H3C H3C C O C O NH2 NH2 -H2O H2C H2C NHNH2 C OH C O H3C H3C H3C C N H2C C N. H3C II H3C C O H2C C NNH2 H3C I Бензимидазол NH2 NH2 HCOOH -H2O O NH C H NH2 N -H2O NH В 0,5 л колбу помещают 54,0 г (0,5 моль) орто-фенилендиамина и добавляют 32 мл (34,6 г, 0,75 моль) 90 %-ной муравьиной кислоты. Смесь нагревают на водяной бане в течение 2 час, после охлаждения к 154 ней медленно приливают 10 %-ный раствор гидроксида натрия до щелочной реакции на лакмус. Сырой бензимидазол отсасывают на воронке Бюхнера и промывают холодной водой. Далее его растворяют в 750 мл кипящей воды, нагревают с 2 г активированного угля 15 мин и быстро фильтруют через обогреваемую воронку. Фильтрат охлаждают до 10 – 15 °С, продукт отфильтровывают, промывают холодной водой и высушивают при 100 °С. Выход 49,0 – 50,5 г (83 – 85 %). Тпл170 – 172 °С. Пояснения к синтезу Первая стадия – образование замещенного амида муравьиной кислоты. Вторая – разрыв двойной связи С=О с внутримолекулярным нуклеофильным присоединением аминогруппы и последующим отщеплением молекулы воды: H NH NH C NH O C H OH -H2O N NH NH2 1,2,3,4-Тетрагидрокарбазол + -H2O NHN NHNH NHNH2 O N H -NH3 NH2 N H В 1 л трехгорлой колбе, снабженной обратным холодильником, мешалкой и капельной воронкой, смешивают 98 г (1,0 моль) циклогексанона и 360 г (6,0 моль) уксусной кислоты. Содержимое колбы нагревают до кипения и при перемешивании добавляют за 1 час 108 г (1,0 моль) фенилгидразина. Смесь кипятят еще 1 час и переливают в стакан 155 при перемешивании до затвердевания. Смесь охлаждают до 5 °С, фильтруют, осадок промывают водой (100 мл), а затем 75 %-м спиртом (100 мл). Сырой препарат сушат на воздухе в течение ночи и перекристаллизовывают из 700 мл метанола с активированным углем. Выход 120 – 135 г (76 – 85 %). Тпл 115 – 116 °С. Пояснения к синтезу Реакция циклоконденсации при внутримолекулярной нуклеофильной атаке по эндо-положению активированной двойной связи орто-положением бензольного кольца с последующим элиминированием аммиака и образованием ароматической системы индола (синтез индолов по Фишеру). Хинолин (синтез Скраупа) CH2OH H SO 2 4 CHOH -H2O CH2OH H2C CH C O C6H5NH2 H I H OH C CH2 N II H CH2 O dH C d+ CH2 CH 2 N H [O] -H2O N III N H В 0,5 л колбу помещают 10,0 г нитробензола, 15,5 г анилина и 50,0 г глицерина. В смесь постепенно при сильном встряхивании вводят 12 мл серной кислоты (d = 1,84 г/мл). Затем колбу снабжают обратным холодильником и осторожно нагревают газовой горелкой до начала реакции. После этого через холодильник порциями по 0,5 – 1,0 мл вводят 12 мл серной кислоты, нагревая смесь после внесения каждой порции, и кипятят в течение 3 часов. К смеси добавляют небольшое количество воды и отгоняют непрореагировавший нитробензол с водяным паром. Содержимое колбы охлаждают и добавляют 40 %-й раствор гидроксида натрия до щелочной реакции по фенолфталеину. Суспензию хинолина и непрореагировавшего анилина подкисляют серной кислотой, охлаждают, и диазотируют концентрированным раствором нитрита натрия до положительной реакции на присутствие азо156 тистой кислоты (около 2,5 г насыщенного раствора нитрита натрия). Реакционную смесь нагревают на водяной бане до прекращения выделения азота, доводят до щелочной реакции 40 %-м раствором гидроксида натрия и отгоняют хинолин с водяным паром. Дистиллят экстрагируют эфиром, эфирный раствор обезвоживают гидроксидом калия, отгоняют эфир на водяной бане и остаток перегоняют при пониженном давлении (10 мм рт. ст.)с дефлегматором, собирая фракцию с температурой кипения 105 – 110 °С. Выход 12,0 – 13,0 г (~55%). Пояснения к синтезу При повышенной температуре серная кислота дегидратирует глицерин, образуя непредельный спирт НОСН2СН=СНОН, который перегруппировывается в β-гидроксипропаналь НОСН2СН2СНО и вновь подвергается дегидратации, образуя акролеин СН 2=СН-СНО. II Акролеин, как и другие α,β-ненасыщенные альдегиды, вступает в реакции присоединения против правила Марковникова. Взаимодействуя с анилином, он образует 1-фениламинопропаналь I. Его аминогруппа активирует о-положение бензольного ядра по отношению к действию электрофильного атома углерода альдегидной группы. По отношению к бензольному ядру реакция образования промежуточного соединения II является электрофильным замещением. Под каталитическим и водоотнимающим действием серной кислоты II подвергается дегидратации, образуя III. Наконец, III окисляется до хинолина действием нитробензола, который в свою очередь восстанавливается до анилина, вновь вступает в реакцию с акролеином. Фенилизоиндолизин При взаимодействии α-пиколина с фенацилбромидом образуется 2-метил-1-фенацилпиридиний бромид, который при кипячении в воде в присутствии гидрокарбоната натрия превращается в фенилизоиндолизин: COCH2Br CH3 N + CH3 + N CH2CO Br- + NaHCO3, - H2O - NaBr N 157 2-Метил-1-фенацилпиридиний бромид. В трехгорлую колбу, снабженную обратным холодильником и мешалкой, вносят 9,3 мл (0,1 моль) α-пиколина и раствор 19,9 г (0,1 моль) фенацилбромида (лакриматор, работать под тягой!) в 20 мл ацетона. Смесь при перемешивании кипятят на водяной бане в течение 2-х часов, и выпавший при охлаждении осадок четвертичной соли отфильтровывают, дважды промывают ацетона и дважды – эфиром, порциями по 10 мл. Выход 25,7 – 26,8 г (88 – 92 %), tпл 211 °С (с разложением). Фенилизоиндолизин. Раствор 14,6 г (0,05 моль) 2-метил-1фенацилпиридиний бромида в 250 мл воды кипятят при перемешивании в присутствии 6,3 г (0,075 моль) гидрокарбоната натрия 40 – 50 минут. Через 20 – 30 мин от начала кипения выпадает обильный белый осадок, который после окончания реакции и охлаждения реакционной смеси, отфильтровывают, трижды промывают ледяной водой, порциями по 20 мл и сушат при 100 °С. Выход 8,8 – 9,0 г (91 – 93 %). Перекристаллизованный из спирта продукт имеет Тпл 210 – 211 °С. Пояснения к синтезу Пиридин сравнительно легко вступает в реакции электрофильного присоединения по атому азота. Бромированый ацетофенон на атоме углерода группы СН2 под электроноакцепторным действием соседнего атома брома и карбонильной группы несет существенный положительный заряд и проявляет свойства электрофила. В силу электроноакцепторного влияния положительно заряженного азота 2-метил-1-фенацилпиридиний бромид является достаточно сильной СН-кислотой. Кислотный разрыв связи С-Н метильной группы происходит под действием гидрокарбоната натрия: d+ CH3 O + C N CH2 Br- -H+ - CH2 O d- + C d+ N CH2 CH N OH CH2 I II Разумеется, отрицательный заряд в значительной степени мигрирует с группы СН2 на атом азота, но структура I подчеркивает нуклеофильный характер образующегося соединения и демонстрирует суть последующей реакции циклизации с образованием спирта II, дегидратация которого дает конечный продукт – фенилизоиндолизин. 158 Фенотиазин Фенотиазин получают нагреванием дифениламина с серой в присутствии небольшого количества йода в качестве катализатора: S S, I2, t NH N Фенотиазин. Предварительно хорошо перемешанную смесь 8,4 г (0,05 моль) дифениламина, 3,2 г (0,1 моль) серы и 0,15 г йода нагревают в круглодонной колбе емкостью 100 мл при 190 – 200 °С в течение получаса на силиконовой бане или на сплаве Вуда. Горячий плав выливают в фарфоровую чашку и после охлаждения измельчают в ступке до порошкообразного состояния. Сырой продукт перекристаллизовывают из этанола, добавляя активированный уголь для удаления окрашенных примесей. На 1 г вещества идет 6 мл спирта. Фенотиазин кристаллизуется в виде желтых призм. Выход 8,5 – 9,0 г (86 – 91 %). Тпл 184 – 185 °С. 3,6-Дифенил-1,2,4,5-тетразин Наиболее простым способом синтеза 3,6-дизамещенных 1,2,4,5тетразинов является взаимодействие нитрилов с гидразином. Продуктами этой реакции, протекающей через стадию образования амидразонов, является 3,6-дизамещенные 1,4-дигидротетразины. Превращению амидразонов в дигидротетразины способствует сера. При окислении 1,4-дигидротетразинов хлорным железом, пероксидом водорода или нитритом натрия в уксусной кислоте образуются соответствующие теразины, например: 159 CN HN C NH2NH2 H2O NHNH2 H N N S N N H NaNO2; AcOH N N N N 3,6-Дифенил-1,4-дигидро-1,2,3,4-тетразин. Синтез проводится под тягой. В круглодонную 200-мл колбу, снабженную обратным холодильником, помещают 26 мл (~0,25 моль) бензонитрила, 33 мл гидразингидрата, 5 г серы и 30 мл этанола. Верхний конец холодильника соединяют резиновой трубкой со склянкой Тищенко, заполненной концентрированным раствором щелочи, для улавливания выделяющегося по реакции сероводорода. Колбу нагревают на водяной бане до начала кипения смеси, после чего баню убирают, так как реакция идет самопроизвольно. При слишком бурном течении реакции колбу охлаждают заранее подготовленной баней с ледяной водой. После окончания бурной реакции смесь нагревают на водяной бане еще 1 – 1,5 час. При этом реакционная масса затвердевает и превращается в желтый кристаллический «пирог». Ее охлаждают, фильтруют, осадок на фильтре промывают 50 %-ным этанолом. Выход 21 г (71 %). tпл 192 – 194 °С. Для очистки продукт можно перекристаллизовать из хлороформа. Пояснения к синтезу Первая стадия реакции – типичное реакция нитрилов – нуклеофильное присоединение по тройной связи С≡N. Химизм второй стадии не исследован, но, судя по тому, что в ее ходе выделяется сероводород, можно полагать, что сначала происходит замещение имино-группы =NH на серу с ее последующим отщеплением в ходе реакции присоединения-отщепления: 160 HN C S NHNH2 C NHNH2 .. NH2NH C C S NHNH S S , .. 2 H N N NH NH HS C C NH NH SH -H2S N N H 3,6-Дифенил-1,2,4,5-тетразин. В химическом стакане тщательно суспендируют 11,8 г 0,05 моль) 3,6-дифенил-1,4-дигидро-1,2,4,5тетразина в 40 мл уксусной кислоты. При перемешивании небольшими порциями присыпают тонко измельченный нитрит натрия (6 – 7 г) до тех пор, пока желтый осадок исходного соединения не перейдет в красно-фиолетовый продукт. В реакционную массу заливают 40 мл воды, фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе. Продукт хорошо кристаллизуется из хлороформа, этилацетата, этанола, бензола и диметилформамида. Выход 10,5 г (90 %), Тпл 190 – 192 °С. 5,10,15,20-Тетрафенилпорфирины Широко применяемая на практике методика синтеза тетрафенилпорфирина и его фенильных производных состоит в циклоконденсации пиррола с бензальдегидами, катализируемой кислотами: 161 R R CHO N N + H + R NH -H2O N HN NH HN NH N R A R Чередующиеся простые и двойные связи центрального ядра молекулы приведены для наглядности, но следует понимать, что такое изображение молекулы не соответствует ее структуре. Порфирины ароматические соединения и все связей С-С в первом приближении имеют одинаковую длину, 136 -144 пм. Размеры связей С-N и С-NН также близки и соответствуют ароматическому строению порфиринов. Поэтому целесообразно строение ядра порфиринов изображать, как это показывает структура А. Пиррол неустойчив в присутствии кислот. Его протонирование ведет к неконтролируемому образованию смолистых полимерных продуктов переменного состава. Эта побочная реакция снижает выход порфиринов при конденсации пиррола с альдегидами. Механизм циклоконденсации, ведущей к образованию порфиринов, иллюстрирует представленная ниже схема. Протонирование альдегида резко увеличивает электрофильный характер карбонильного атома углерода, что наглядно показывает правая резонансная структура: + OH O H+ O R C R C R C+ H H H Типичные реакции пиррола – реакции электрофильного замещения, которые идут по α-положению: 162 OH + R C+ медл. H NH H + NH C OH R H H -H+ быстро NH C OH H Образующийся спирт при каталитической действии кислоты отщепляет воду с образованием нового электрофильного реагента, который взаимодействуя с новой молекулой пиррола, образует замещенный α,α-дипирролилметан: H NH C OH R H H H+ -H2O + NH CH R C R NH -H+ . HN NH Повторение этих реакций ведет к образованию тетрамера пиррола. Если заместители R имеют сравнительно большие размеры, например фенил, тетрамер приобретает свернутую конформацию, благоприятствующую реакции циклизации. При этом образуется порфириноген, который быстро окисляется кислородом воздуха и превращается в порфирин: H H R C NH NH H C R R HN H [O] HN R -H2O HN N R R N NH R R 5,10,15,20-Тетрафенилпорфирин 163 R CHO N H+ + NH -H2O HN NH N Синтез можно осуществить, используя в качестве растворителя уксусную (способ А) и пропионовую кислоту (способ Б). Способ А. В 500 мл трехгорлой колбе, снабженной обратным холодильником, термометром и трубкой для подвода воздуха, доходящей до дна, смешивают 1,34 г (22 ммоль) свежеперегнанного пиррола, 140 г ледяной уксусной кислоты и 70 мл пиридина. Смесь разогревается до 40 – 50 °С и к ней через обратный холодильник приливают 2,33 г (25 ммоль) бензальдегида. Колбу медленно нагревают до температуры кипения (135 – 140 °С). Если температура меньше 135 °С, часть растворителя следует отогнать, используя прямой водяной холодильник. Смесь кипятят 30 мин, усиливают поток воздуха и кипятят еще 20 мин. После охлаждения реакционную массу выдерживают при комнатной температуре не менее трех дней, порфирин отфильтровывают и промывают на фильтре небольшим количеством этанола. Выход 0,75 г (22 %). Для тонкой очистки используют метод адсорбционной хроматографии. Метод Б. В 500 мл колбу, снабженную обратным холодильником, заливают 300 мл пропионовой кислоты, 5,6 мл (80 ммоль) свежеперегнанного пиррола и 8 мл (80 ммоль) бензальдегида. Смесь кипятят 30 мин, охлаждают до комнатной температуры, фильтруют. Осадок на фильтре тщательно промывают сначала метанолом, а затем горячей водой. Пурпурные кристаллы высушивают на воздухе и затем прогревают в вакууме водоструйного насоса при 100 °С для удаления адсорбированной пропионовой кислоты. Выход, 2,5 г (20 %). Пояснения к синтезу Уксусная кислота – крупнотоннажный продукт органического синтеза и, соответственно дешевле пропионовой, поэтому при необходимости синтеза большого количества тетрафенилпорфирина предпочтителен метод А. Но непосредственно в результате синтеза в уксусной кислоте получается порфирин в виде очень мелких кристаллов, 164 которые адсорбируют на своей поверхности много побочных полимерных продуктов конденсации, и очень медленно фильтруются. Поэтому для образования крупнокристаллического осадка тетрафенилпорфирина требуется длительное выдерживание его над маточным раствором. Мелкие кристалла имеют высокую поверхностную энергию и, соответственно, более высокую растворимость. Они растворяются в маточном растворе и вновь кристаллизуются с образованием крупных кристаллов. Хроматографическая очистка тетрафенилпорфирина Порфирин предварительно растворяют в минимальном количестве хлороформа. В нижнюю часть хроматографической колонки диаметром ~20 см и длиной 35 – 40 см помещают небольшой ватный тампон. Заткнув выход из колонки, в нее заливают хлороформ на 2/3 высоты и затем тонкой струйкой засыпают оксид алюминия для хроматографии III степени активности. Поверх адсорбента укладывают кружочек фильтровальной бумаги по диаметру колонки, выход колонки освобождают и, когда верхний уровень хлороформа опустится до поверхности фильтровальной бумаги, осторожно, чтобы не размыть верхний слой оксида алюминия, приливают раствор порфирина. Как только верхний уровень раствора опустится до поверхности фильтровальной бумаги начинают аккуратно приливать хлороформ, так, чтобы поверхность адсорбента постоянно была покрыта растворителем. В верхнем тонком слое оксида алюминия адсорбируются полимерные примеси бурого цвета. По мере продвижения по колонке происходит постепенное разделение тетрафенилпорфирина (краснокоричневая зона) и тетрафенилхлорина (зеленая зона), первым вымывается (элюируется) хлорин. После того, как сойдет его зона, приемный стакан заменяют и собирают раствор тетрафенилпорфирина, который далее упаривают досуха. Электронный спектр поглощения (ЭСП) тетрафенилпорфирина в хлороформе, λmax (lg ε): 647 (3,63), 590 (3,78), 550 (3,89), 516 (4,27), 419 (5,65). 5,10,15, 20-Тетракис(4-нитрофенил)порфирин 165 NO2 O2N CHO N H+ + NH -H2O HN NH N NO2 O2N NO2 В круглодонной колбе смешивают 15 мл бензола, 1,5 г (10 ммоль) n-нитробензальдегида, 35 мл уксусной кислоты и 0,7 мл (10 ммоль) пиррола. Смесь кипятят 2 часа, осадок отфильтровывают на фильтре Шота, промывают метанолом до полного обесцвечивания вытека и сушат около 16 часов. Для очистки к осадку добавляют 1 мл трифторуксусной кислоты, разбавляют мл хлороформа и осадок отфильтровывают, промывают хлороформом с добавкой % CF3COOH до исчезновения зеленой окраски фильтрата. Фильтрат нейтрализуют до изменения окраски на коричневую и осадок порфирина отфильтровывают, промывают хлороформом и высушивают при 70 ºС на воздухе. Выход 0,51 г (24 %). ЭСП в хлороформе, λmax (lg ε): 650 (3,55), 592 (3,73), 552 (3,88), 518 (4,18), 426 (,36). Пояснения к синтезу Синтез порфирина сопровождается образованием ряда побочных продуктов. Их удаляют в два приема. Полярные примеси, в том числе примеси со свойствами оснований, растворяют, промывая осадок порфирина на фильтре метанолом. Примеси, обладающие кислотными свойствами удаляют, используя основные свойства порфирина и его малую растворимость в растворителях нейтрального характера. При действии очень сильной трифторуксусной кислоты 5,10,15,20-тетракис(4-нитрофенил)порфирин подвергается протонированию по двум центральным атомам азота. В протонированной форме он растворяется в хлороформе и в его смесях с CF3COOH. Диэтиламин нейтрализует трифторуксуснуюй кислоту, при этом зеленая кислая 166 форма порфирина Н4Р2+ превращается в нерастворимую нейтральную Н2Р. Цвет раствора при этом меняется от зеленого до коричневого и выпадает осадок порфирина. 5,10,15,20-тетракис(4-бромфенил)порфирин В круглодонной колбе смешивают 1,85 г (10 ммоль) nбромбензальдегида, 0,7 мл (10 ммоль) пиррола, 1,7 мл (18 ммоль) уксусного ангидрида, 15 мл бензола и 35 мл уксусной кислоты. Смесь кипятят 2 часа, осадок отфильтровывают, промывают метанолом до полного обесцвечивания вытека и сушат около 16 часов при комнатной температуре. Выход 0,76 г. (32,5 %). Тонкую очистку осуществляют хроматографически. Адсорбент – оксид алюминия III степени активности, растворитель – хлороформ. 167 ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица 1 . Плотности и концентрации растворов серной кислоты при 20 С [3] d, г/мл Концентрация 1,01 1,02 г/л d, г/мл 1,731 17,49 3,242 33,07 1,03 4,746 1,04 6,237 1,05 7,704 1,10 14,73 162,0 1,12 17,43 1,135 Концентрация % г/л d, г/мл 1,30 39,68 515,8 1,32 41,95 553,8 48,87 1,34 44,17 64,86 1,36 80,92 Концентрация % г/л 1,60 69,09 1105 1,62 70,82 1148 591,9 1,64 72,52 1190 46,33 630,1 1,66 74,22 1232 1,38 48,45 668,6 1,68 75,92 1275 1,40 50,50 707,0 1,70 77,63 1320 195,2 1,42 52,51 745,7 1,72 79,37 1365 19,42 220,4 1,44 54,49 784,6 1,74 81,16 1412 1,17 23,95 280,2 1,46 56,41 823,6 1,76 83,06 1461 1,19 26,47 314,9 1,48 58,31 863,0 1,78 85,16 1516 1,20 27,72 332,6 1,50 60,17 902,5 1,80 87,69 1578 1,22 30,18 368,2 1,52 62,00 942,4 1,82 91,11 1659 1,24 32,61 404,4 1,54 63,81 982,8 1,825 92,25 1684 1,26 35,01 441,2 1,56 65,59 1023 1,830 93,64 1713 1,28 37,36 478,2 1,58 67,35 1064 1,835 95,72 1757 % 168 Таблица 2 . Плотности и концентрации растворов азотной и соляной кислот при 20 С [3] Азотная кислота d, г/см3 Концентрация % г/л d, г/см3 1,01 2,164 21,85 1,02 3,982 1,03 1,04 Соляная кислота Концентрация % г/л d, г/см3 1,26 42,14 530,9 40,61 1,28 45,27 5,784 59,57 1,30 7,530 78,32 1,32 1,05 9,259 97,22 1,10 17,58 1,12 1,135 Концентрация % г/л 1,01 2,364 23,87 579,4 1,02 4,388 44,74 48,42 629,5 1,03 6,433 66,25 51,71 682,4 1,04 8,490 88,27 1,34 55,13 738,5 1,05 10,52 110,4 193,3 1,36 58,78 799,0 1,10 20,39 224,2 20,79 232,9 1,38 62,70 865,1 1,12 34,25 271,6 23,16 262,8 1,40 66,97 937,6 1,135 27,18 308,4 1,17 28,51 333,5 1,42 71,63 1017 1,17 34,18 399,9 1,19 31,47 374,5 1,44 76,71 1105 1,19 38,32 455,8 1,20 32,94 395,3 1,46 82,39 1203 1,22 35,93 438,3 1,48 89,07 1318 1,24 39,02 483,8 1,50 96,73 1450 169 Таблица 3 .Плотности и концентрации водных растворов гидроксидов натрия и калия при 20 С [3] NaOH KOH d, г/см3 % г/л % г/л 1,005 0,602 6,040 0,743 7,463 1,025 2,39 24,44 2,93 30,07 1,050 4,65 48,88 5,66 59,48 1,075 6,93 74,48 8,36 89,78 1,100 9,19 101,1 11,03 121,2 1,125 11,46 129,0 13,66 153,7 1,150 13,73 157,9 16,26 186,8 1,175 15,99 187,9 18,84 221,1 1,200 18,25 219,0 21,38 256,4 1,225 20,53 251,4 23,87 292,3 1.250 22,82 285,2 26,34 329,4 1.275 25,10 320,0 28,77 367,0 1,300 27,41 356,2 31,15 405,1 1,325 29,73 393,9 33,50 443,8 1,350 32,10 433,2 35,82 483,7 1,375 34,52 474,4 38,10 524,1 1,400 36,99 518,0 40,37 565,0 1,425 39,49 562,8 42,60 607,1 1,450 42,07 610,0 44,79 649,7 1,475 44,69 659,2 46,96 693,0 1,500 47,33 710,0 49,10 736,7 1,525 49,97 762,0 51,22 781,1 170 Список рекомендуемой литературы 1. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Г. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1981. 581 с. 2. Нейланд А. Я. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1990. 751 с. 3. Справочник химика. Т I - VI / Под ред. Б. П. Никольского. Л.: Химия, 1965 - 1966. 4. Свойства органических соединений. Справочник / Под ред. А. А. Потехина. Л.: Химия, 1984. 520 с. 5. Практикум по органической химии: Синтез и идентификация органических соединений. / Под ред. О. Ф. Гинзбурга, А. А. Петрова. М.: Высшая школа, 1989. 318 с. 6. Методы работы в лабораторном практикуме по органической химии: Методические указания / Ивановская гос. хим.-технол. академия. Сост. Карманова Т. В., Хелевина О. Г. Иваново, 1995. 40 с. 7. Установление строения органических соединений по их химическим и физико-химическим свойствам: Методические указания / Ивановский хим.-технол. институт. Сост. Козлов В. А., Гнедин Б. Г., Стужин П. А. Иваново, 1990. 48 с. 8. Количественная оценка реакционной способности сопряженных и ароматических углеводородов с применением метода ВМО: Методические указания / Ивановский хим.-технол. институт. Сост. Гнедин Б. Г., Попкова И. А.. Иваново. 1990. 36 с. 9. Органическая химия. Реакции нуклеофильного замещения: Учеб. пособие / Кувшинова Е. М., Петров О. А., Хелевина О. Г. / Под ред. О. А. Голубчикова; Ивановская гос. хим.-технол. академия. Иваново, 1996. 52 с. 171
